Desde que Richard P. Feyman, en el año 1959 diese su conferencia “There´s Plenty of Room at the Bottom” los investigadores de todo el mundo han intentado conocer y descubrir mejor el mundo nanométrico que nos rodea. En especial la entrada en el nuevo siglo, y la mejora de aparatos electrónicos que nos permitan estudiar con mayor exactitud las nano partículas, ha significado el descubrimiento de nuevos materiales para las obras civiles.
Mi intención, ha sido la de recoger todas estas investigaciones y sintetizar en este trabajo las ventajas y inconvenientes de añadir nano partículas, de distinta naturaleza, en la micro estructura de materiales de base cemento.
En especial, me he centrado en 3 tipos de nano partículas, dos de carácter puzolánico (nSi y nAl) y otra con propiedades ferromagnéticas (nFe). Los resultados obtenidos abren la puerta a una infinidad de aplicaciones en las obras civiles.
En general, añadir nano partículas, esta justificado desde el punto de vista de la durabilidad final del material. Se obtiene una microestructura tan densa y homogénea, que impide que agentes químicos agresivos se introduzcan y degraden el material. Sin embargo desde el punto de vista resistente, no se obtienen resistencias tan elevadas como para justificar el elevado precio de este tipo de nano partículas. Aun así, los datos recogidos en este trabajo indican recomendaciones a seguir, en investigaciones futuras, para obtener una microestructura perfecta.
Debido a las enormes diferencias entre cada nanopartículas, se expone un cuadro resumen con las principales características.
Las nano partículas de carácter puzolánico mejoran las resistencias finales y la porosidad. En especial, el nano sílice es con el que se obtienen mejores resultados. Sin embargo el nano hierro, aunque en imágenes realizadas con microscopios electrónicos parece que mejoran la microestructura, los resultados demuestran que las resistencias permanecen iguales o incluso descienden.
DURABILIDAD Tipo Tamaño Ф Nano partícula (% Peso de cemento) R. Compresion 28d (Mpa) R. Flexión 28d (Mpa) Porosidad % 5‐20 nm 3,5% 80(Δ14%) 9,3(Δ31%) 12(Δ20%) 15 nm 1% 45(Δ9,75%) 5,9(Δ31%) 12,05(Δ9%) Ferromagnéticas 20‐30nm 1% 54,39(Δ6%) Chino 47,20(‐3%)US 7,64(Δ8%) Chino 7,89(‐6%)US 15,8(Δ6,33%) Puzolánicas RESISTENCIAS
ANÁLISIS DE LA ADICIÓN DE NANO‐PARTÍCULAS EN LA MICROESTRUCTURA DE MATERIALES DE
BASE CEMENTO.
El empleo de nano partículas tiene los siguientes efectos sobre la microestructura de materiales base cemento:
1) Las nano partículas que son de carácter puzolánico, favorecen la absorción de
los cristales de Portlandita por geles C-S-H muchos más resistentes, en especial, mejora la micro estructura en la zona interfacial de transición entre pasta-árido (ITZ).
2) Formación de cristales y geles hidratados más pequeños y resistentes: La nano
partículas de caracter puzolánico favorecen la formación de cristales de portlandita y etringita de menor tamaño. Además se observa un descenso de estos cristales y mayor cantidad de geles C-S-H de estequiometria variable, pero muy uniformes que enlazan fuertemente al conjunto de los cristales mediante fuerzas de Van der Waals.
3) Efecto filler: Todas las nanopartículas rellenan los huecos entre los granos de
cemento, inmovilizando el agua libre.
4) Núcleos de cristalización del cemento hidratado: Debido a su elevada superficie
específica, las nano partículas, quedan envueltas en agua rápidamente y favorece que alrededor de su superficie se formen cristales hidratados.
Por tanto podemos concluir que la gran diferencia en los resultados es debida a que, las nano partículas de carácter puzolánico favorecen la absorción de la portlandita por geles C-S-H muchos más resistentes, en especial, en la zona interfacial de transición ITZ, sin embargo las nano partículas ferromagnéticas, únicamente tienen una función física, cerrando poros entre los cristales.
Otro aspecto importante, que influye mucho en la microestructura final, es la dosificación que se realice. La cantidad exacta de nanopartículas que se debe emplear es muy pequeña (1 a 3,5%) y incierta. Aun no se conoce cual es la dosificación exacta perfecta y vemos necesario investigar más en este sentido. Hay que destacar que obtener el % de nano partículas es difícil, porque pequeñas variaciones afectan mucho a la micro estructura final del mortero, y influyen mucho, otros factores como la relación agua/cemento, superplastificantes, naturaleza del cemento, etc...
Otro punto crítico igual de importante, es la preparación del material. Las condiciones tienen que ser óptimas para dispersar correctamente las nano partículas en la muestra. La finalidad ultima que persiguen todos los investigadores, es que este nuevo material se pueda emplear en obras civiles, y para ello es condición fundamental que pueda transportarse desde una planta de hormigonado a pie de obra, sin que pierda sus propiedades. A corto plazo veo difícil que este aspecto se pueda conseguir, ya que para obtener resultados positivos las condiciones tienen que ser perfectas.
La mejor ventaja de emplear nano adicciones es la reducción de la porosidad, como se recoge en todos los capítulos de este trabajo, se están obteniendo porosidades un 20%
inferiores respecto a muestras sin nano adicciones. Claramente las nanopartículas están recomendadas para materiales cementicios que vayan a estar en ambientes muy agresivos. Una aplicación perfecta sería la de reparar elementos estructurales dañados por el trasncurso de los años, o que han estado sometido a ambientes muy dañinos. Esto nos permitiría alargar la vida útil de estructuras importantes de hormigón armado. Aun así creo que quedan muchísimas investigaciones que realizar. Actualmente estamos viviendo la época dorada de las nano partículas, prácticamente todas las universidades, en mayor o menor medida están investigando estos nano materiales en sus respectivos campos.
De las 3 nano partículas que he estudiado, personalmente creo que las nanopartículas de hierro, son las que pueden significar un cambio total en nuestra manera de trabajar en el mundo de la construcción. Una investigación que se debería llevar a cabo, es aprovechar las propiedades ferromagnéticas de las nanopartículas de hierro, para “posicionarlas” y colocarlas en una microestructura perfecta. Hoy día se está realizando este tipo de ensayos con fibras de acero y nano tubos, pero con nano partículas no se ha publicado nada. Sería muy interesante, ya que la tendencia actual, es prefabricar todo en un taller y montarlo en obra. Perfectamente se podrían prefabricar elementos estructurales muy específicos, en nuestros laboratorios, y luego montarlos directamente en obra.
Espero que este trabajo sirva de ayuda para todos aquellos ingenieros que quieren conocer un poco mejor las nanopartículas, y sus efectos sobre la microestructura.
CARLOS HENCHE GUIJARRO
ANÁLISIS DE LA ADICIÓN DE NANO‐PARTÍCULAS EN LA MICROESTRUCTURA DE MATERIALES DE
BASE CEMENTO.