INGENIERÍA

Estudio de Ingeniería y Arquitectura COTPA

en colaboración con el Grupo de Investigación de la Universidad de Vigo-INARdesign
y la Dra. Julia Armesto Rodríguez, Universidad de Vigo

 

Nanotecnología y cemento, presente y futuro

La velocidad con que las cosas suceden, cambian, aparecen y desaparecen a consecuencia de la innovación tecnológica, afecta a los sectores industriales según su impronta en ese momento. No es ajeno a este fenómeno el sector de la construcción y particularmente el cemento, por sus connotaciones especiales derivadas de su implementación en las actividades de la sociedad, su consumo, eficiencia o los aspectos sostenibles.Nuevas propiedades y expectativas derivadas de la nanotecnología son cada vez más estudiadas, investigadas y utilizadas en el mix del cemento.

Las propiedades que un material tiene a escala macroscópica pueden ser completamente distintas de las que el mismo material tiene a escala casi molecular. Así, por ejemplo, para ciertas sustancias se reduce el punto de fusión, se vuelven transparentes, inflamables, conductoras, catalíticas, etc. La nanociencia investiga dichas propiedades a escala nanométrica, adoptada comúnmente como la comprendida entre 1 y 100 nanómetros (millonésimas de milímetro mientras que la nanotecnología estudia la fabricación de materiales que conserven determinadas propiedades que están presentes a la nanoescala).

El tamaño de las partículas que integran un mix de cemento –pasta de cemento, mortero, hormigón– influye en las propiedades mecánicas de este: a grandes rasgos, cuanto menor es el diámetro de las partículas, más compacto, resistente y duradero resulta el material. Por este motivo la investigación de la combinación de nanomateriales con el cemento es un área muy activa en los últimos años.

Los materiales que se añaden a los compuestos de cemento para mejorar sus propiedades pueden dividirse en dos clases: nanopartículas, y nanomateriales basados en carbono. La innovación connanopartículas reside en su tamaño nanométrico con materiales ya conocidos y producidos a escala industrial. En cambio las investigaciones con nanomateriales basados en carbono,en proceso incipiente con altas expectativaspero aún con unos procesos productivos costosos, han tenido gran impulso a partir de la obtención por primera vez del grafeno en el año 2004.

En la última década se han venido usando en el mix del cemento nanopartículas para aumentar su resistencia a la compresión, obteniendo además mejoras adicionales: resistencia a la corrosión, reducción de la retracción, permeabilidad..., y por lo tanto un incremento de su vida útil. La nanopartícula más consumida con este fin es la nanosílice (o nano-SiO2). Con fracciones de peso respecto al cemento portland ordinario de entre 0,5% y 2% se logran a los 28 días aumentos en las resistencias a compresión y a flexión del 20% y 40%, respectivamente. La segunda nanopartícula más utilizada es el óxido de titanio TiO2; además del efecto compactante, proporciona al mix de cemento la propiedad fotocatalítica de modo que cuando las partículas TiO2 están expuestas a la radiación solar tienen un efecto neutralizante sobre los contaminantes en suspensión NOx. Es por lo que se denominan cementos o pinturas auto-limpiantes.

Estas nanopartículas junto a otras como los polymethylhydroxysilane [104, nanos], politetrafluoroetileno, polieteretercetona, o tierra de diatomeas silanizada, aplicadas en recubrimientos hidrófobos logran mejorar sensiblemente la durabilidad de los compuestos del cemento.

En lo que respecta a los nanomateriales basados en carbono resaltar que el aislamiento por primera vez del grafeno supuso un impulso a la investigación en los compuestos de cemento de los ya conocidos por entonces nanotubos de carbono (CNTs), nanofibras (CNFs) y óxido de grafeno (GO). Estos nanomateriales incrementan la resistencia a la compresión de los compuestos de cemento en una magnitud similar a las nanopartículas. Debido a su alto factor de forma, el incremento que producen en la resistencia a la flexión es superior al de las nanopartículas: entre el 45% y 80% con un 1% de fracción de peso de nanomaterial respecto al cemento. Su elevado coste, en la actualidad, hace que su aplicación a gran escala se vea mermada, aunque las expectativas que prometen sus propiedades especiales permiten suponer en un futuro producciones seriadas que los harían más asequibles.

A modo de ejemplo representativo, entre las propiedades especiales podemos hablar de la piezoresistividad de las CNFs y, sobre todo, de los CNTs. La adición en pequeñas proporciones de estos nanofilamentos al compuesto de cemento posibilita determinar la magnitud de su deformación a partir de la variación de la resistencia eléctrica que experimenta. La medición de deformaciones plásticas indicaría una patología estructural, mientras que la monitorización de deformaciones elásticas permitiría analizar la respuesta de la estructura bajo cargas dinámicas complejas, presentes por ejemplo en edificios de gran altura y puentes de gran luz.

El grafito en forma de nanoplaquetas (GNPs) aporta al cemento en menor medida y a menor coste las mismas propiedades mecánicas y eléctricas que los CNTs. Se puede tildar de espectacular la aplicación estudiada en el caso particular de las GNPs como encapsulador de la bacteria Bacillussubtilis. Una vez endurecido el compuesto de cemento resultante, se pudo utilizar la actividad metabólica de las bacterias para autorrellenar grietas de hasta 0.81 mm de espesor mediante la introducción en ellas de lactato cálcico.

La nanotecnología será relevante en otros ámbitos de la construcción como el patrimonio cultural, favorece productos consolidantes con recubrimientos basados en nanopartículas de SiO2, Ca(OH)2, Mg(OH)2, Ba(OH)2, Sr(OH)2, entre otras. También son objeto de investigación aspectos relativos a la introducción y mejora de propiedades fotovoltaicas, aislantes, reflectividad en el mix del cemento.

Si tenemos en cuenta el estancamiento en el que se había instalado el hormigón armado, presente y futuro que se presenta, con este tipo de investigaciones, al mix del cemento, y en el sector de la construcción en general, es de aventurar ilusionante.