- Figura 1. Puente de las Cascadas de San Antonio, Minneapolis, donde se empleó concreto auto-limpiable. CORTESÍA SIKA
Nanotecnología en cementos y concretos
- Doctora Nayibe Guerrero
- Gerente de Investigación y Desarrollo Latinoamérica Norte, Sika
La nanotecnología hace referencia a todas las áreas de la ciencia y la Ingeniería dedicadas al diseño, producción y uso de estructuras, sistemas y dispositivos dentro del rango entre 1 y 100 nm (Mohajerani, 2019).
De acuerdo con la norma ASTM E2456-06, una nanopartícula es una partícula ultrafina, más grande que 0,001 micrómetro (1 nanómetro) y más pequeña que 0,1 micrómetro (100 nanómetros). [Un nanómetro (nm) es la mil millonésima parte de un metro (1 nm = 10−9 m). N. del Ed.]
Se considera que la nanotecnología es la próxima revolución industrial debido al impacto que tiene en diferentes ramas industriales, desde la farmacéutica hasta la industria aeroespacial (Rai,2015, Kashef, 2010).
El mercado de los nanomateriales fue de 9.680 millones de USD en 2020 y se espera que crezca hasta 43.000 millones de USD en 2030. El mayor mercado se encuentra en la medicina y en los electrónicos.
En la industria de la construcción, la nanotecnología permite optimizar el uso de recursos naturales ya que, en combinación con otros materiales, potencia las propiedades de éstos y de esa forma pueden reducirse dentro de las formulaciones tradicionales de productos.
En aplicaciones de concreto y cemento la nanotecnología permite construir estructuras más livianas, con mejores resistencias mecánicas, mayor durabilidad y mejor apariencia.
De acuerdo con la norma ASTM E2456-06, una nanopartícula es una partícula ultrafina, más grande que 0,001 micrómetro (1 nanómetro) y más pequeña que 0,1 micrómetro (100 nanómetros). [Un nanómetro (nm) es la mil millonésima parte de un metro (1 nm = 10−9 m). N. del Ed.]
Se considera que la nanotecnología es la próxima revolución industrial debido al impacto que tiene en diferentes ramas industriales, desde la farmacéutica hasta la industria aeroespacial (Rai,2015, Kashef, 2010).
El mercado de los nanomateriales fue de 9.680 millones de USD en 2020 y se espera que crezca hasta 43.000 millones de USD en 2030. El mayor mercado se encuentra en la medicina y en los electrónicos.
En la industria de la construcción, la nanotecnología permite optimizar el uso de recursos naturales ya que, en combinación con otros materiales, potencia las propiedades de éstos y de esa forma pueden reducirse dentro de las formulaciones tradicionales de productos.
En aplicaciones de concreto y cemento la nanotecnología permite construir estructuras más livianas, con mejores resistencias mecánicas, mayor durabilidad y mejor apariencia.
¿Por qué aplicar nanotecnología en la construcción?
• Porque los nanomateriales presentan propiedades excepcionales
como mejores resistencias mecánicas, mejor conductividad
térmica, resistencia eléctrica y mayor estabilidad química.
• La combinación de nanomateriales rebaja el costo de producción porque los porcentajes requeridos son bajos y se mejoran considerablemente las propiedades.
• Se reduce el impacto ambiental porque se puede disminuir el uso de materiales tradicionales, y en el caso de aditivos para cemento y concreto se requieren dosis menores que con aditivos tradicionales.
La figura 2, tomada en un microscopio electrónico de barrido, muestra la introducción de nanotubos de carbono en un polímero. Los nanotubos densifican la estructura del polímero y se distribuyen uniformemente.
• La combinación de nanomateriales rebaja el costo de producción porque los porcentajes requeridos son bajos y se mejoran considerablemente las propiedades.
• Se reduce el impacto ambiental porque se puede disminuir el uso de materiales tradicionales, y en el caso de aditivos para cemento y concreto se requieren dosis menores que con aditivos tradicionales.
La figura 2, tomada en un microscopio electrónico de barrido, muestra la introducción de nanotubos de carbono en un polímero. Los nanotubos densifican la estructura del polímero y se distribuyen uniformemente.
- Figura 2. Dispersión de nanotubos de carbón en polímero. CORTESÍA SIKA
¿En qué aplicaciones de la construcción se han usado nanomateriales?
En pinturas, recubrimientos, cerámicos, aislamiento térmico
de edificios, estructuras resistentes al fuego, estructuras base
vidrio, como reforzamiento estructural en edificios, en pisos
antiestáticos.
¿Qué nanomateriales pueden usarse en la construcción?
La nano-sílice, nano-titanio (TiO2), nano-alúmina (Al2O3), nano-zinc (ZnO2), nanotubos de carbono, nano-fibras de carbono, grafeno y nanotubos de grafeno, entre otros.
¿Qué nanomateriales pueden usarse en la construcción?
La nano-sílice, nano-titanio (TiO2), nano-alúmina (Al2O3), nano-zinc (ZnO2), nanotubos de carbono, nano-fibras de carbono, grafeno y nanotubos de grafeno, entre otros.
Nanopartículas en el concreto y el cemento
Las nanopartículas actúan a nivel de la estructura molecular del
concreto, otorgando propiedades como mayor resistencia a la
compresión, aislamiento térmico, mayor durabilidad, resistencia
a la corrosión, la contracción y agrietamiento. Estas propiedades
pueden alcanzarse usando un solo nanomaterial o la combinación
de varios.
Aunque no está completamente claro cómo actúan las nanopartículas sobre el cemento, se habla de una interacción más de nivel físico que químico. Algunos estudios indican que estas partículas afectan directamente la hidratación del cemento (Birgisson et al 2012).
Usualmente el tamaño del grano de una partícula de cemento está entre 7 y 200 micras (0,007-0,2 mm). El silicato tricálcico C3S (alita), el cual es responsable de las resistencias y otras propiedades en los sistemas cementicios, está en la escala de los nanómetros y algunos estudios indican que la introducción de nanomateriales afecta directamente esta fase al aumentar el área superficial de las partículas de cemento y, por ende, su reactividad. De esta manera puede acelerar la hidratación del cemento reduciendo el tiempo de fraguado, acelerando el endurecimiento y por tanto contribuyendo al desarrollo de resistencias tempranas.
Aunque no está completamente claro cómo actúan las nanopartículas sobre el cemento, se habla de una interacción más de nivel físico que químico. Algunos estudios indican que estas partículas afectan directamente la hidratación del cemento (Birgisson et al 2012).
Usualmente el tamaño del grano de una partícula de cemento está entre 7 y 200 micras (0,007-0,2 mm). El silicato tricálcico C3S (alita), el cual es responsable de las resistencias y otras propiedades en los sistemas cementicios, está en la escala de los nanómetros y algunos estudios indican que la introducción de nanomateriales afecta directamente esta fase al aumentar el área superficial de las partículas de cemento y, por ende, su reactividad. De esta manera puede acelerar la hidratación del cemento reduciendo el tiempo de fraguado, acelerando el endurecimiento y por tanto contribuyendo al desarrollo de resistencias tempranas.
Uso de nano-titanio en el concreto
Debido a su alta área superficial, la adición de nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2) mejora la microestructura del concreto aumentando su resistencia. Xuemei et al 2018 encontraron un aumento del 7% en resistencias a la compresión, adicionando tan solo 0,2% de nanopartículas de TiO2 al concreto. Las nanopartículas de TiO2 tienen la capacidad de llenar los poros del concreto evitando que se agriete. La figura 3 corresponde a una micrografía obtenida en un microscopio electrónico de barrido, en donde puede observarse la distribución de las nanopartículas de titanio en el concreto.
El nano-titanio puede usarse también para concreto auto-limpiable en el cual, una vez que la luz golpea la superficie del concreto, las nanopartículas de titanio usan la energía de la luz y rompen la suciedad convirtiéndola en moléculas de O2, H2O, nitratos y sulfatos. Los gases se evaporan, mientras los líquidos y sólidos formados se lavan con la lluvia (Mujkanovic et al, 2016). En el puente de las Cascadas de San Antonio en Minneapolis se usó concreto autolimpiable en el 2008 (ver figura 1), y años después el puente sigue conservando su apariencia de color blanco.
Debido a su alta área superficial, la adición de nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2) mejora la microestructura del concreto aumentando su resistencia. Xuemei et al 2018 encontraron un aumento del 7% en resistencias a la compresión, adicionando tan solo 0,2% de nanopartículas de TiO2 al concreto. Las nanopartículas de TiO2 tienen la capacidad de llenar los poros del concreto evitando que se agriete. La figura 3 corresponde a una micrografía obtenida en un microscopio electrónico de barrido, en donde puede observarse la distribución de las nanopartículas de titanio en el concreto.
El nano-titanio puede usarse también para concreto auto-limpiable en el cual, una vez que la luz golpea la superficie del concreto, las nanopartículas de titanio usan la energía de la luz y rompen la suciedad convirtiéndola en moléculas de O2, H2O, nitratos y sulfatos. Los gases se evaporan, mientras los líquidos y sólidos formados se lavan con la lluvia (Mujkanovic et al, 2016). En el puente de las Cascadas de San Antonio en Minneapolis se usó concreto autolimpiable en el 2008 (ver figura 1), y años después el puente sigue conservando su apariencia de color blanco.
Uso de nano-sílice en el concreto
La nano-sílice actúa de manera similar a una puzolana en el concreto,
acelerando la velocidad de hidratación y actuando como fillers, ya
que algunas partículas rellenan los poros existentes, densificando
la microestructura del material. En la figura 4 se puede ver cómo el
aumento de la cantidad de sílice densifica el concreto, reduciendo
las grietas y los poros.
En comparación con la micro-sílice, es posible utilizar una dosis mucho menor de nano-sílice para producir un concreto ligero con desempeño mecánico comparable o incluso mejor. Algunos estudios han encontrado que en la misma aplicación que usa alrededor de un 10% de micro sílice se puede usar menos del 5% de nano-sílice.
En comparación con la micro-sílice, es posible utilizar una dosis mucho menor de nano-sílice para producir un concreto ligero con desempeño mecánico comparable o incluso mejor. Algunos estudios han encontrado que en la misma aplicación que usa alrededor de un 10% de micro sílice se puede usar menos del 5% de nano-sílice.
- Figura 3. Dispersión de nano-titanio en el concreto. CORTESÍA SIKA
- Figura 4. Efecto en especímenes cilíndricos al usar nano-sílice, Testigo, B. Concreto con 2,5% de nano sílice y C. Concreto con 5% de nano-sílice. TOMADA DE RONQUILLO ET AL 2016.
La tabla 1 muestra los resultados de la resistencia a la compresión
usando nano-sílice en pruebas en morteros.
Resistencia a la
compresión
a los 7 días (MPa)
a los 7 días (MPa)
Resistencia a la
compresión
a los 28 días (MPa)
a los 28 días (MPa)
Cemento Pórtland convencional
18,3
25,6
Cemento con 5% de microsílice
22,5
35,1
Cemento con 10% de microsílice
24,7
37,4
Cemento con 15% de microsílice
26,1
38,0
Cemento con 3% de nano-sílice
39,5
54,3
Cemento con 6% de nano-sílice
46,1
61,9
Cemento con 10% de nano-sílice
49,3
68,2
Cemento con 12% de nano-sílice
50,7
68,8
Referencias
1. Shivana R y Aditya R. Nanotechnology – The secret of fifth
industrial revolution and the future of next generation,
Nusantara Bioscience. Vol 7 N2 pp 61-66, Nov 2015.
2. Kashef A et al. Nanotechnology and the Building Industry. Proceedings of the International Conference on Nanotechnology: Fundamentals and Applications Ottawa, Ontario, Canada, 4-6 August 2010 Paper 550.
3. Mohajerani A et al. Nanoparticles in Construction Materials and Other Applications, and Implications of Nanoparticle Use. Materials 2019, 12, 3052.
4. Birgisson et al. Nanotechnology in Concrete Materials. Transportation Circular E-C170.
5. A Mujkanovic et al. Self-cleaning concrete – a construction material for building cleaner world. 2016 20th International Research/Expert Conference “Trends in the Development of Machinery and Associated Technology” Conference Paper.
6. Xuemei Y et al. Compressive strength of concrete reinforced by TiO2 nanoparticles. AIP Conference Proceedings 2036, 030006 (2018); Published Online: 12 November 2018.
7. Ltifi M et al. Experimental study of the effect of addition of nano-silica on the behaviour of cement mortars. Procedia Engineering 10 (2011) 900–905.
8. Ronquillo G. Morphological and characterization-based verification of the properties of concrete with amorphous nanosilica synthesized from rice hull ash. Asia Life Sciences 25(1): 307- 320, 2016. The Asian International Journal of Life Sciences.
9. Byung J. Characteristics of Cement Mortar with Nano-SiO2 Particles. Construction and Building Materials 21(6):1351-1355 DOI:10.1016/j.conbuildmat.2005.12.020.
2. Kashef A et al. Nanotechnology and the Building Industry. Proceedings of the International Conference on Nanotechnology: Fundamentals and Applications Ottawa, Ontario, Canada, 4-6 August 2010 Paper 550.
3. Mohajerani A et al. Nanoparticles in Construction Materials and Other Applications, and Implications of Nanoparticle Use. Materials 2019, 12, 3052.
4. Birgisson et al. Nanotechnology in Concrete Materials. Transportation Circular E-C170.
5. A Mujkanovic et al. Self-cleaning concrete – a construction material for building cleaner world. 2016 20th International Research/Expert Conference “Trends in the Development of Machinery and Associated Technology” Conference Paper.
6. Xuemei Y et al. Compressive strength of concrete reinforced by TiO2 nanoparticles. AIP Conference Proceedings 2036, 030006 (2018); Published Online: 12 November 2018.
7. Ltifi M et al. Experimental study of the effect of addition of nano-silica on the behaviour of cement mortars. Procedia Engineering 10 (2011) 900–905.
8. Ronquillo G. Morphological and characterization-based verification of the properties of concrete with amorphous nanosilica synthesized from rice hull ash. Asia Life Sciences 25(1): 307- 320, 2016. The Asian International Journal of Life Sciences.
9. Byung J. Characteristics of Cement Mortar with Nano-SiO2 Particles. Construction and Building Materials 21(6):1351-1355 DOI:10.1016/j.conbuildmat.2005.12.020.
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