FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA CIVILDEPARTAMENTO ACADEMICO DE HIDRAULICA E HIDROLOGIA

NANOTECNOLOGIA DEL CONCRETO Y DEL CEMENTO

QUE ES LA NANOTECNOLOGIA?Existen muchas definiciones sobre la nanotecnologa, en 1959 el premio nobel de fsica Richard P. Feyman dicto una conferencia en el instituto de tecnologa de california y, como una premonicin, manifest que la revolucin industrial del futuro iba a estar encabezada por la nanotecnologa. No se equivoc.La nanotecnologa lo definiremos como el control de la materia basado en la manipulacin, molcula por molcula, de productos y subproductos por medio de sistemas de alta precisin, as como productos y procesos de manufactura molecular, incluyendo el mecanismo molecular.En diferentes sectores industriales la nanotecnologa ha sido implementada, la construccin ha sido una de ellas pero presenta cierto rezago si se compara con campos como el electrnico, el automovilstico y el qumico donde se han conseguido resultados ms consolidados e incluso comerciales.

FIG N.-1 manipulacin controlada de las molculas mediante instrumentos de alta precisin

1.- LA NANOTECNOLOGIA APLICADA AL CONCRETOLa nanotecnologa es una de las reas de investigacin ms activas que comprenden un nmero de disciplinas como la ingeniera civil y materiales de construccin. Los campos ms activos son: electrnica, la biomecnica y revestimientos.El inters en el concepto de nanotecnologa para el cemento portland, est creciendo constantemente.Tratar con el cemento y el concreto son: la comprensin de la hidratacin de las partculas de cemento y el uso de ingredientes de tamao nano, tales como almina y partculas de slice. Hay tambin un nmero limitado de las investigaciones relacionadas con la fabricacin de nanocemento. Si el cemento, con el tamao de nanopartculas puede ser fabricado y procesado, se abrir un gran nmero de oportunidades en los mbitos de la cermica, compuestos de alta resistencia y electrnicos. Esto elevar el estatus de cemento portland a un material de alta tecnologa.Definicin del nanoconcretoEl nanoconcreto se define como un concreto hecho con partculas de cemento portland que son menos de 500 nanmetros como el agente de cementacin.Actualmente los tamaos de partculas de cemento variar desde unos pocos nanometros a un mximo aproximadamente de 100 micrmetros. En el caso del microcemento el tamao medio de partcula se reduce a 5 micro metros. Una orden de magnitud de la reduccin es necesaria para producir nano-cemento.El concreto y nanotecnologa Se puede afirmar que el concreto utiliza la nanotecnologa, ya que contiene las nanopartculas como ingredientes, como las partculas de agua y vacos de aire. Sin embargo, para reclamar el uso de la nanotecnologa, 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 qumicas o mecnicas para controlar a escala los nano-poros y la colocacin de productos de hidratacin del silicato de calcio, entonces el concreto se convierte en un producto de la nanotecnologa.Las actividades actuales de investigacin de la nanotecnologa en concreto son: la caracterizacin de hidratacin del cemento, la influencia de la adicin de la nanosilce en el concreto, la sntesis de cemento con nanopartculas y recubrimientos que se aplican para proteger el concreto.

Sntesis del cemento utilizando nanopartculasEn un proyecto apoyado por la National Science Foundation (NSF), se ha sintetizado la componentes del cemento portland tipo I con nanopartculas y se compar su propiedades con el de cemento comercial. La microscopa de barrido electrnico (SEM) y difraccin de Rayos X (DRX) con los equipos que se utilizaron para evaluar la morfologa y la estructura desintetizada del silicato triclcico (C3S) y sus componentes. Las pruebas de hidratacin indicaron que el nanocemento tena una velocidad de hidratacin ms rpida que el cemento portland Tipo I y III. Tambin la resistencia a la compresin del cemento sintetizado utilizando nano-partculas result ser menor que la del cemento Portland ordinario. Los autores atribuyen esta reduccin a un nmero de factores que incluyen: la agregacin de partculas, la hidratacin rpida, una elevada relacion agua-cemento, y la falta de yeso.Nanomodificacin de materiales cementantesLa nanomodificacin es un campo emergente que se desarrolla con gran rapidez. La sntesis y ensamblaje de materiales de tamao nanomtrico ofrece posibilidades para desarrollar nuevos aditivos para cemento como superplastificantes, nanopartculas o nano-refuerzos. Las tcnicas de hibridacin y anclaje de molculas permiten manipular directamente la estructura de las fases cementantes. La nanomodificacin puede tener lugar en varias localizaciones distintas: en las fases slidas, en la fase lquida y en las interfaces, incluyendo interfaces slido-lquido y slido-slido.A pesar del potencial que presenta la nanomodificacin, hay que superar una serie de limitaciones, incluyendo la correcta dispersin de los aditivos a nanoescala, el escalado de los resultados de laboratorio y su implementacin industrial, y finalmente conseguir reducir el margen costo/beneficio.

FIG.- 2 imagen de un escaneo electrnico en microscopio de la pasta de cemento hidratada. Como producto de la hidratacin del cemento, las partculas se unen entre si y el espacio entre ellas es el volumen inicial ocupado por el agua.Nanotubos de carbonoLos nanotubos de carbono (CNTs) hacen parte del desarrollo contemporneo. Los nanotubos de carbono se representan a veces como una hija de grafeno enrollada en un cilindro, con una especfica alineacin hexagonal de los anillos, en la punta. FIG.- 3 nanotubos de carbono, el componente ideal para las fibras modernas; otra posible aplicacin es en el refuerzo de tramos largos o estructuras de gran altura soportadas por cables

Las aplicaciones de los nanotubos incluyen dispositivos nanoelectrnicos (transistores) y son comnmente utilizados para microscopios de sonda, sensores bioqumicos, soportes catalizadores, dispositivos de almacenamiento y separacin de los gases, administracin de medicamentos, tecnologas de auto-sanacin, materiales compuestos y para mejorar las propiedades mecnicas de un material. Por ejemplo, en los nanotubos de sper alta resistencia a la traccin se estima una resistencia hasta ms de 20 veces superior a la del acero tradicional (llegando a los 45 GPa) lo que permite determinar que esta tecnologa es un componente de refuerzo ideal para las fibras modernas.

FIG.-4 acero de refuerzo con nanotubos de carbono

El supercementoEl "supercemento" es una mezcla de "clinker", caliza cocida y principal materia prima del cemento, con "nanotubos" de carbono.Los tubos de carbono, desarrollados, con tcnicas nanomtricas (referente a la milmillonsima parte del metro), proporcionaron al cemento mayor resistencia y duracin, adems de permitir la produccin de un material de mejor calidad y costo ms bajo que los desarrollados en otros pases.Proyectos similares realizados en diferentes pases agregaron los nanotubos al cemento, sin embargo los mtodos utilizados hacen de este material un producto demasiado caro, al elevarlo a cerca de 8, 000 dlares, frente al precio de ocho dlares por saco de cementoconvencional.

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

Segn Jos Luiz Ladeira (investigador del supercemento) menciona: la nueva tcnica permite producir un saco de cemento reforzado con nanotubos por unos 16 dlares por costal."El aumento de calidad es tan grande que justifica pagar el doble por el producto", asegur el investigador."Convertimos el cemento reforzado con nanotubos de carbono en un material econmicamente 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 an tendr que esperar cinco aos antes de lanzarlo comercialmente.Esa demora obedece a que el uso de la nanotecnologa an es polmico, debido a que se desconocen los efectos de las nanopartculas en el organismo humano y en el medio ambiente."Pero como los nanotubos estarn mezclados en el cemento y no sueltos en la naturaleza, la dispersin del material ser menor y su impacto en el ambiente bajo", asegur el investigador.Segn investigaciones: un aumento de 0,3 por ciento de nanotubos de carbono al "clinker" incrementa 25 por ciento la resistencia del cemento a la traccin. La resistencia a la comprensin aumenta 80 por ciento. Una porosidad mayor, lo cual aumenta la residencia del material a la degradacin. El desgaste del nuevo cemento por la accin del ambiente es mucho menor, para quien el nuevo material resolver 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 materialesTres grupos de nanomateriales se encuentran bajo el mismo rango atmico, y es posible medir la dureza y resistencia de los componentes a nivel microscpico y nanoscpico. Ciertas propiedades ms especficas 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 decoloracin, proteccin anti grafiti y elevada resistencia al desgaste, apariencia de baldosa con auto-limpieza, y pinturas y morteros basados en tecnologa de fotocatlisis; las finas capas nanomtricas protegen al refuerzo contra la corrosin, como tambin para mejorar al aislamiento trmico de los cristales de las ventanas.Entre los nuevos polmeros en nanoingeniera se encuentran los superplastificantes de alta eficiencia para mezclas de concreto y fibras de alta resistencia con capacidad excepcional de absorcin de energa. Las nanopartculas como el slice, son aditivos muy efectivos para mezclas polimricas y para el concreto, lo cual hace parte de los trabajos que buscan aumentar el rendimiento y la auto-compactacin del concreto sin afectar la trabajabilidad y la resistencia del concreto a base de cemento Prtland, una de las materias primas de mayor consumo en todo el mundo. El Prtland es uno de los materiales ms importantes, pero a la vez uno de los menos estudiados para mejorar su potencial.Desde el punto de vista de la ingeniera, y para mejor entendimiento y precisin, la estructura compleja con base cementicia a escala nano, se encuentra aparentemente en evolucin hacia una nueva generacin para ofrecer un concreto ms resistente y durable, con mejor respuesta a la traccin-deformacin y ms amplio rango de propiedades como la conductividad elctrica, temperatura, humedad y otras.Mientras tanto, los nuevos concretos avanzan hacia un desarrollo sostenible, hacia la reduccin de su costo y del consumo de energa durante su produccin, en esencia, mejorando todas las condiciones que exige la demanda actual. Los nanoligantes, o materiales nanocementantes de ingeniera con nanocomponentes cementicios y partculas de escala nano, integrarn la nueva escala de innovacin y desarrollo.

2.- LA NANOTECNOLOGIA APLICADA AL CONCRETO EN LA ACTUALIDADLa nanotecnologia del concreto y su beneficio en el ambienteMuchos ingenieros y cientficos buscan mediante la manipulacin nanoestructural de cemento reducir las emisiones de dixido de carbono, debido de que el concreto es uno de los materiales ms usados.La industria de la construccin confa enormemente en datos empricos, pero la realidad es que la fsica y la estructura del cemento no han sido lo suficientemente investigadas, para llevarlo a un mejor rendimiento de la mano de las tecnologas 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 ao, lo cual indica que las industrias cementeras van en ascenso.De no cambiar el proceso que conlleva la realizacin del concreto el dao puede ser irreversible, tan solo la reduccin de emisiones de dixido de carbono en el mundo durante la fabricacin del cemento en hasta un 10 por ciento sera una gran contribucin de esta industria en cuestin del medio ambiente, ya que fabricar una tonelada de clnker, materia prima del cemento, supone emitir casi una tonelada de CO2.Actualmente un grupo de cientficos pertenecientes a la Facultad de Ingeniera de la Universidad de Buenos Aires (UBA) y el Instituto de Tecnologas y Ciencias de la Ingeniera INTECIN-CONICET se encuentra en pleno desarrollo de un nuevo hormign sustentable.El objetivo principal de este proyecto es obtener un nuevo material que posea la misma resistencia a la compresin que un hormign tradicional, pero que aumente su durabilidad e implique el uso de una menor cantidad de cemento.

Estudios sobre mejoras del concreto a travs de la nanotecnologaEl grupo de cientficos pertenecientes a la Facultad de Ingeniera de la Universidad de Buenos Aires (UBA) y el Instituto de Tecnologas y Ciencias de la Ingeniera INTECIN-CONICET, tambin se encuentran estudiando concretos con otras propiedades mediante la combinacin de las propiedades tradicionales con otras nuevas: cementos conductores trmicos, conductores elctricos o magnticos; cementos inteligentes que se autoreparen; nuevos refuerzos para reemplazar a las barras de metal en el concreto armado por barras de plstico reforzado con fibra de vidrio y nanopartculas.Y por el otro, la nanoingeniera, que estudia el agregado de nanoaditivos para la generacin de nuevos materiales compuestos.Estos nuevos materiales tendrn nuevas propiedades, como la de ser autolimpiantes, autorepararse, mayor ductilidad o tener autocontrol de fisuras.En otras palabras, segn el nanoaditivo que se agregue se produce un efecto diferente en el cemento y se crea un nuevo tipo de materialPor ejemplo, el agregado de nanofibras de celulosa (NFC) que son ms duras que el hierro y soportan ms esfuerzo que la fibra de vidrio, debido a su tamao no actan como refuerzo como s lo hace la microcelulosa. Pero evitan la formacin de microgrietas, ya que estabilizan la mezcla en estado fresco.Otra opcin posible es usar como aditivo nanotubos de carbono (NTC), que tambin poseen gran resistencia y alta conductividad.Se agregan en una proporcin muy pequea y pueden usarse para hormigones de alta performance para puentes o en estructuras pretensadas. Pero, adems, se pueden utilizar en nuevos cementos inteligentes en vas, para que el propio camino permita transmitir seales elctricas o magnticas.

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 ejecucin y prolonga la durabilidad de las obrasNanoaditivos para el concreto la nanosliceUno de los productos que est entrando con ms fuerza en el mercado de la construccin son los nanoaditivos para el concreto. En este caso, no estamos ante materiales controlados tomo por tomo durante el proceso de fabricacin; las nuevas tcnicas han sido utilizadas slo durante la fase de desarrollo del producto.La microslice es uno de los productos para el concreto ms ampliamente usados en todo el mundo desde hace ms de ochenta aos. Sus propiedades han permitido obtener concretos de alta resistencia, impermeables a los ataques del agua y los agentes qumicos, y contribuido a muchas de las edificaciones de concreto que vemos hoy en da. Sin embargo, su desventaja ha sido principalmente el precio, relativamente alto, as como su contaminacin al medio ambiente, con la consecuente repercusin en la salud de los operadores quienes deben tomar precauciones especiales porque al ser la microslice un material en polvo mil veces ms pequeo que el humo del cigarrillo, puede producir silicosis si las condiciones de seguridad no son las ptimas.

FIG.-7 concreto con microsilice (izquierda) y con nanosilice (derecha)1