NANOTECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL CEMENTO

¿QUE ES LA NANOTECNOLOGIA?

Existen muchas definiciones sobre la nanotecnología, en 1959 el premio nobel de física Richard P. Feyman dicto una conferencia en el instituto de tecnología de california y, como una premonición, manifestó que la revolución industrial del futuro iba a estar encabezada por la nanotecnología. No se equivocó.

La nanotecnología lo definiremos como “el control de la materia basado en la manipulación, molécula por molécula, de productos y subproductos por medio de sistemas de alta precisión, así como productos y procesos de manufactura molecular, incluyendo el mecanismo molecular”.

En diferentes sectores industriales la nanotecnología ha sido implementada, la construcción ha sido una de ellas pero presenta cierto rezago si se compara con campos como el electrónico, el automovilístico y el químico donde se han conseguido resultados más consolidados e incluso comerciales.

FIG N.-1 manipulación controlada de las moléculas mediante instrumentos de alta precisión

1.- LA NANOTECNOLOGIA APLICADA AL CONCRETO

La nanotecnología es una de las áreas de investigación más activas que comprenden un número de disciplinas como la ingeniería civil y materiales de construcción. Los campos más activos son: electrónica, la biomecánica y revestimientos.

El interés en el concepto de nanotecnología para el cemento portland, está creciendo constantemente.

Tratar con el cemento y el concreto son: la comprensión de la hidratación de las partículas de cemento y el uso de ingredientes de tamaño nano, tales como alúmina y partículas de sílice. Hay también un número limitado de las investigaciones relacionadas con la fabricación de nanocemento. Si el cemento, con el tamaño de nanopartículas puede ser fabricado y procesado, se abrirá un gran número de oportunidades en los ámbitos de la cerámica, compuestos de alta resistencia y electrónicos. Esto elevará el estatus de cemento portland a un material de alta tecnología.

Definición del nanoconcreto

El nanoconcreto se define como un concreto hecho con partículas de cemento portland que son menos de 500 nanómetros como el agente de cementación.

Actualmente los tamaños de partículas de cemento variar desde unos pocos nanometros a un máximo aproximadamente de 100 micrómetros. En el caso del microcemento el tamaño medio de partícula se reduce a 5 micro metros. Una orden de magnitud de la reducción es necesaria para producir nano-cemento.

El concreto y nanotecnología

Se puede afirmar que el concreto utiliza la nanotecnología, ya que contiene las nanopartículas como ingredientes, como las partículas de agua y vacíos de aire. Sin embargo, para reclamar el uso de la nanotecnología, tenemos que ser capaces de controlar la cantidad y los lugares de estas nano-ingredientes dentro de los productos finales. Las escalas de los distintos materiales que constituyen el concreto. Si somos capaces de crear herramientas químicas o mecánicas para controlar a escala los nano-poros y la colocación de productos de hidratación del silicato de calcio, entonces el concreto se convierte en un producto de la nanotecnología.

Las actividades actuales de investigación de la nanotecnología en concreto son: la caracterización de hidratación del cemento, la influencia de la adición de la nanosilíce en el concreto, la síntesis de cemento con nanopartículas y recubrimientos que se aplican para proteger el concreto.

Síntesis del cemento utilizando nanopartículas

En un proyecto apoyado por la National Science Foundation (NSF), se ha sintetizado la componentes del cemento portland tipo I con nanopartículas y se comparó su propiedades con el de cemento comercial. La microscopía de barrido electrónico (SEM) y difracción de Rayos X (DRX) con los equipos que se utilizaron para evaluar la morfología

y la estructura desintetizada del silicato tricálcico (C3S) y sus componentes. Las pruebas de hidratación indicaron que el nanocemento tenía una velocidad de hidratación más rápida que el cemento portland Tipo I y III. También la resistencia a la compresión del cemento sintetizado utilizando nano-partículas resultó ser menor que la del cemento Portland ordinario. Los autores atribuyen esta reducción a un número de factores que incluyen: la agregación de partículas, la hidratación rápida, una elevada relacion agua-cemento, y la falta de yeso.

Nanomodificación de materiales cementantes

La nanomodificación es un campo emergente que se desarrolla con gran rapidez. La síntesis y ensamblaje de materiales de tamaño nanométrico ofrece posibilidades para desarrollar nuevos aditivos para cemento como superplastificantes, nanopartículas o nano-refuerzos. Las técnicas de hibridación y anclaje de moléculas permiten manipular directamente la estructura de las fases cementantes. La nanomodificación puede tener lugar en varias localizaciones distintas: en las fases sólidas, en la fase líquida y en las interfaces, incluyendo interfaces sólido-líquido y sólido-sólido.

A pesar del potencial que presenta la nanomodificación, hay que superar una serie de limitaciones, incluyendo la correcta dispersión de los aditivos a nanoescala, el escalado de los resultados de laboratorio y su implementación industrial, y finalmente conseguir reducir el margen costo/beneficio.

FIG.- 2 imagen de un escaneo electrónico en microscopio de la pasta de cemento hidratada. Como producto de la hidratación del cemento, las partículas se unen

entre si y el espacio entre ellas es el volumen inicial ocupado por el agua.

Nanotubos de carbono

Los nanotubos de carbono (CNTs) hacen parte del desarrollo contemporáneo. Los nanotubos de carbono se representan a veces como una hija de grafeno

enrollada en un cilindro, con una específica alineación hexagonal de los anillos, en la punta.

FIG.- 3 nanotubos de carbono, el componente ideal para las fibras modernas; otra posible aplicación es en el refuerzo de tramos largos o estructuras de gran altura soportadas por cables

Las aplicaciones de los nanotubos incluyen dispositivos nanoelectrónicos (transistores) y son comúnmente utilizados para microscopios de sonda, sensores bioquímicos, soportes catalizadores, dispositivos de almacenamiento y separación de los gases, administración de medicamentos, tecnologías de auto-sanación, materiales compuestos y para mejorar las propiedades mecánicas de un material. Por ejemplo, en los nanotubos de súper alta resistencia a la tracción se estima una resistencia hasta más de 20 veces superior a la del acero tradicional (llegando a los 45 GPa) lo que permite determinar que esta tecnología es un componente de refuerzo ideal para las fibras modernas.

FIG.-4 acero de refuerzo con nanotubos de carbono

El supercemento

El "supercemento" es una mezcla de "clinker", caliza cocida y  principal materia prima del cemento, con "nanotubos" de carbono.

Los tubos de carbono, desarrollados, con técnicas nanométricas  (referente a la milmillonésima parte del metro), proporcionaron al  cemento mayor resistencia y duración, además de permitir la  producción de un material de mejor calidad y costo más bajo que los  desarrollados en otros países. 

Proyectos similares realizados en diferentes países agregaron los  nanotubos al cemento, sin embargo los métodos utilizados hacen de  este material un producto demasiado caro, al elevarlo a cerca de 8, 000 dólares, frente al precio de ocho dólares por saco de cemento convencional. 

FIG.-5 Cemento reforzado con nanotubos de carbono que impiden la propagación de una grieta

Según José Luiz Ladeira (investigador del supercemento) menciona: la nueva técnica permite producir un saco de  cemento reforzado con nanotubos por unos 16 dólares por costal. 

"El aumento de calidad es tan grande que justifica pagar el doble  por el producto", aseguró el investigador. 

"Convertimos el cemento reforzado con nanotubos de carbono en un  material económicamente viable y que puede ser producido a larga  escala por la industria", agrega. 

El nuevo cemento ya fue patentado, sin embargo su creador calcula  que aún tendrá que esperar cinco años antes de lanzarlo  comercialmente. 

Esa demora obedece a que el uso de la nanotecnología aún es  polémico, debido a que se desconocen los efectos de las  nanopartículas en el organismo humano y en el medio ambiente. 

"Pero como los nanotubos estarán mezclados en el cemento y no  sueltos en la naturaleza, la dispersión del material será menor y su  impacto en el ambiente bajo", aseguró el investigador. 

Según investigaciones:

un aumento de 0,3 por ciento de nanotubos de  carbono al "clinker" incrementa 25 por ciento la resistencia del  cemento a la tracción. 

La resistencia a la comprensión aumenta 80 por ciento.  Una porosidad  mayor, lo cual aumenta la residencia del material a la

degradación. 

El desgaste del nuevo cemento por la acción del ambiente es  mucho menor, para quien el nuevo material  resolverá el problema provocado por el uso de cemento en  construcciones que quedan sumergidas en el mar, ya que el agua  salada damnifica el material convencional, pero no el nuevo.

Otros materiales

Tres grupos de nanomateriales se encuentran bajo el mismo rango atómico, y es posible medir la dureza y resistencia de los componentes a nivel microscópico y nanoscópico. Ciertas propiedades más específicas fueros descubiertas en un material de nanoestructura amorfa de cristales C – S – H, desarrollado como material de pintura y acabado con propiedades de auto-limpieza, resistencia a la decoloración, protección anti – grafiti y elevada resistencia al desgaste, apariencia de baldosa con auto-limpieza, y pinturas y morteros basados en tecnología de fotocatálisis; las finas capas nanométricas protegen al refuerzo contra la corrosión, como también para mejorar al aislamiento térmico de los cristales de las ventanas.

Entre los nuevos polímeros en nanoingeniería se encuentran los superplastificantes de alta eficiencia para mezclas de concreto y fibras de alta resistencia con capacidad excepcional de absorción de energía. Las nanopartículas como el sílice, son aditivos muy efectivos para mezclas poliméricas y para el concreto, lo cual hace parte de los trabajos que buscan aumentar el rendimiento y la auto-compactación del concreto sin afectar la trabajabilidad y la resistencia del concreto a base de cemento Pórtland, una de las materias primas de mayor consumo en todo el mundo. El Pórtland es uno de los materiales más importantes, pero a la vez uno de los menos estudiados para mejorar su potencial.

Desde el punto de vista de la ingeniería, y para mejor entendimiento y precisión, la estructura compleja con base cementicia a escala nano, se encuentra aparentemente en evolución hacia una nueva generación para ofrecer un concreto más resistente y durable, con mejor respuesta a la tracción-deformación y más amplio rango de propiedades como la conductividad eléctrica, temperatura, humedad y otras.

Mientras tanto, los nuevos concretos avanzan hacia un desarrollo sostenible, hacia la reducción de su costo y del consumo de energía durante su producción, en esencia, mejorando todas las condiciones que exige la demanda actual. Los nanoligantes, o materiales nanocementantes de ingeniería con nanocomponentes cementicios y partículas de escala nano, integrarán la nueva escala de innovación y desarrollo.

2.- LA NANOTECNOLOGIA APLICADA AL CONCRETO EN LA ACTUALIDAD

La nanotecnologia del concreto y su beneficio en el ambiente

Muchos ingenieros y científicos buscan mediante la manipulación nanoestructural de cemento reducir las emisiones de dióxido de carbono, debido de que el concreto es uno de los materiales más usados.

La industria de la construcción confía enormemente en datos empíricos, pero la realidad es que la física y la estructura del cemento no han sido lo suficientemente investigadas, para llevarlo a un mejor rendimiento de la mano de las tecnologías presentes, tratando de fortalecer o contribuir el mejoramiento de un medio ambiente confortable para las personas que lo habitan.

Existe un mayor problema ya que se fabrica mundialmente 2.35 millones de toneladas de concreto al año, lo cual indica que las industrias cementeras van en ascenso.

De no cambiar el proceso que conlleva la realización del concreto el daño puede ser irreversible, tan solo la reducción de emisiones de dióxido de carbono en el mundo durante la fabricación del cemento en hasta un 10 por ciento sería una gran contribución de esta industria en cuestión del medio ambiente, ya que fabricar una tonelada de clínker, materia prima del cemento, supone emitir casi una tonelada de CO2.

Actualmente un grupo de científicos pertenecientes a la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires (UBA) y el Instituto de Tecnologías y Ciencias de la Ingeniería INTECIN-CONICET se encuentra en pleno desarrollo de un nuevo hormigón sustentable.

El objetivo principal de este proyecto es obtener un nuevo material que posea la misma resistencia a la compresión que un hormigón tradicional, pero que aumente su durabilidad e implique el uso de una menor cantidad de cemento.

Estudios sobre mejoras del concreto a través de la nanotecnología

El grupo de científicos pertenecientes a la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires (UBA) y el Instituto de Tecnologías y Ciencias de la Ingeniería INTECIN-CONICET, también se encuentran estudiando concretos con otras propiedades mediante la combinación de las propiedades tradicionales con otras nuevas: cementos conductores térmicos, conductores eléctricos o magnéticos; cementos inteligentes que se autoreparen; nuevos refuerzos para reemplazar a las barras de metal en el concreto armado por barras de plástico reforzado con fibra de vidrio y nanopartículas.

Y por el otro, la nanoingeniería, que estudia el agregado de nanoaditivos para la generación de nuevos materiales compuestos.

Estos nuevos materiales tendrán nuevas propiedades, como la de ser autolimpiantes, autorepararse, mayor ductilidad o tener autocontrol de fisuras.

En otras palabras, según el nanoaditivo que se agregue se produce un efecto diferente en el cemento y se crea un nuevo tipo de material

Por ejemplo, el agregado de nanofibras de celulosa (NFC) que son más duras que el hierro y soportan más esfuerzo que la fibra de vidrio, debido a su tamaño no actúan como

refuerzo como sí lo hace la microcelulosa. Pero evitan la formación de microgrietas, ya que estabilizan la mezcla en estado fresco.

Otra opción posible es usar como aditivo nanotubos de carbono (NTC), que también poseen gran resistencia y alta conductividad.

Se agregan en una proporción muy pequeña y pueden usarse para hormigones de alta performance para puentes o en estructuras pretensadas. Pero, además, se pueden utilizar en nuevos cementos inteligentes en vías, para que el propio camino permita transmitir señales eléctricas o magnéticas.

FIG.-6 “Concreto zeolitico” consideraron que este concreto abate los costos de obra directa ya que se utiliza el suelo del sitio para cementar, es decir ya no hay acarreo de arena y

grava, reduciendo el tiempo de ejecución y prolonga la durabilidad de las obras

Nanoaditivos para el concreto “la nanosílice”

Uno de los productos que está entrando con más fuerza en el mercado de la construcción son los nanoaditivos para el concreto. En este caso, no estamos ante materiales controlados átomo por átomo durante el proceso de fabricación; las nuevas técnicas han sido utilizadas sólo durante la fase de desarrollo del producto.

La microsílice es uno de los productos para el concreto más ampliamente usados en todo el mundo desde hace más de ochenta años. Sus propiedades han permitido obtener concretos de alta resistencia, impermeables a los ataques del agua y los agentes químicos, y contribuido a muchas de las edificaciones de concreto que vemos hoy en día. Sin embargo, su desventaja ha sido principalmente el precio, relativamente alto, así como su contaminación al medio ambiente, con la consecuente repercusión en la salud de los operadores quienes deben tomar precauciones especiales porque al ser la microsílice un material en polvo mil veces más pequeño que el humo del cigarrillo, puede producir

“silicosis” si las condiciones de seguridad no son las óptimas.

FIG.-7 concreto con microsilice (izquierda) y con nanosilice (derecha)