La construcción de elementos con formas cada vez más intrincadas o difíciles, requieren materiales cementantes cada vez más fuertes y también más flexibles, de forma que para alcanzar las demandas estructurales y tecnológicas de estas construcciones, la adición de aditivos químicos en los materiales cementantes es de uso casi obligado. Esto incluye la adición de fíllers para mejorar resistencias mecánicas, aceleradores o retardantes para modificar los tiempos de reacción y polímeros para hacer la matriz conglomerante menos frágil.
Los beneficios de incluir materiales poliméricos en los materiales de construcción para alterar y mejorar sus propiedades, ha sido objeto de algunos estudios, pero la interacción de estos polímeros en fórmulas complejas en las que se optimizan los distintos componentes es un campo en el que se requiere una investigación pormenorizada.
Los materiales poliméricos se han usado históricamente desde la antigüedad. Polímeros naturales como la seda se usaban para decoración y textiles. El descubrimiento de los polímeros modernos como el caucho o la celulosa, ha tenido una influencia extensa en la vida moderna. Los polímeros modernos han sido uno de los descubrimientos mayores de la industria química; son estos polímeros sintéticos los que se usan comúnmente en los materiales cementantes.
La introducción de polímeros en los materiales cementantes para mejorar las propiedades de adherencia, flexibilidad y trabajabilidad, ya tuvo lugar por primera vez en los años 30 cuando se usaron cauchos naturales. Sin embargo, la principal
dificultad en el uso de materiales naturales reside en el uso de estos polímeros para diseñar las propiedades de la fórmula final. Los avances en la tecnología de estos polímeros resulta en la síntesis de materiales con propiedades mejoradas, y así, buen ejemplo de ellos son: polivinilacetato (PVA), estireno-butadieno (SBR), vinilacrílico (VA), metilmetacrilato (MMA) y resinas epoxi, etc.
La primera razón para introducir polímeros en los materiales base cemento radica en la modificación de las propiedades físicas. La utilización de morteros con polímeros, implica una mayor resistencia al ataque del agua y como consecuencia de ello un aumento de la durabilidad, por lo que la adición de polímeros permite formular sistemas más complejos que permiten aplicaciones con mayor exigencia en sus requerimientos. Permite impartir ciertas propiedades al cemento, como la mejora de resistencia a los ciclos de hielo-deshielo, flexibilidad y adhesión. Además hay polímeros para impermeabilizar el cemento o darle elasticidad, para que actúe como membrana antifractura.
Investigaciones previas confirmadas indican que emulsiones de polímero como SBR y acrílicas, reducen el riesgo de fisuración en la estructura endurecida debido a movimientos estructurales o como consecuencia de expansión/ retracción inducida por cambios en la temperatura ambiente. También se ha observado en estos sistemas una mejora en la trabajabilidad y adhesión.
Los homopolímeros de vinilacetato se recomiendan normalmente para su uso en adhesivos. Una serie de copolímeros se sintetizan incorporando un monómero secundario (etileno, vinil éster o ácido versático o acrílicos). Las investigaciones muestran que aumentando la concentración de etileno se mejora la flexibilidad mientras que incorporando vinil versatato se mejora la naturaleza hidrófoba. Cuando estos polímeros se utilizan dentro de la matriz cementante, el mortero resultante posee una mayor resistencia a la intrusión de agua en la microestructura; y por tanto un aumento de la resistencia a los agentes agresivos externos relacionados con el transporte del agua.
Los copolímeros VAE se redispersan dentro de la fase acuosa y dependiendo de la concentración de monómero inicial y aditivos adicionales de polímero, se puede formar un film muy flexible o rígido con un grado de elasticidad. La Tg (Tª de transición vítrea) del polímero aumenta en consonancia con el grado de dureza. Una temperatura mínima de formación de film para este tipo de polímero está en el rango comprendido entre 0 y 5ºC.
La trabajabilidad y fluidez del mortero final estará también influenciada por el tamaño de partícula del polímero incorporado al mortero.
En el paso PVA, la temperatura mínima de formación de film es típicamente 18ºC. La habilidad para redispersarse en la fase acuosa y la capacidad ligante de éste tipo de polímero, es ligeramente peor que en el caso del VAE. Se produce un film más rígido y, por tanto, la flexibilidad es menor que cuando se incorpora VAE al mortero.
Se pueden usar otros monómeros secundarios en conjunción con vinilacetato, VeoVa y vinillaureato. La Tg de estos copolímeros es generalmente mayor que la del VAE. La temperatura mínima de formación de film es menor (por ejemplo para la mezcla vinilacetato/VeoVa) Se obtiene así un óptimo grado de flexibilidad/dureza, consiguiéndose también una naturaleza hidrofóbica. Consecuentemente, estos tipos de polímeros son usados para morteros autonivelantes, adhesivos de cerámica y morteros de reparación, debido a su mejorada resistencia a la humedad como consecuencia de la mayor compacidad obtenida en la microestructra del mortero.
Estos polímeros sintéticos se usan actualmente en mezclas con cemento para producir una gran variedad de morteros modificados con polímero. Las propiedades físicas y químicas resultantes del producto final dependen de la naturaleza del polímero y de su cantidad en relación con la matriz de cemento.
Dado que el polímero que se utilizará es tipo VAE, en polvo y redispersable, consideramos oportuno hacer una pequeña anotación o introducción de lo que esto significa, para poder así entender un poco mejor su comportamiento en contacto con el resto de componentes que conforman el mortero.
2.6.1.3.1 Polímeros en polvo redispersables
Inicialmente los polímeros se adicionaban al mortero en estado líquido, durante el proceso de mezclado. Sin embargo, hoy en día, resulta más ventajoso, incluir el polímero en el componente en polvo del mortero, de forma que el polímero polimeriza en contacto con el agua de mezclado. Esto permite optimizar de forma más precisa la cantidad de polímero necesaria en la mezcla, reduciendo los errores asociados con la dispersión del material durante el mezclado, con la consiguiente ventaja de reducir los costes de fabricación y empaquetado.
En el esquema que se presenta se puede ver cada uno de los pasos en el proceso de elaboración, tanto en la fase de secado y obtención del polvo como en el de limpieza y recubrimiento (formación del coloide):
En contacto con agua, las partículas del polímero contenidas dentro del coloide (redispersables), se liberan ya que el coloide es soluble en agua, y se disuelven. Las partículas de polímero se dispersan así en el agua y forman de manera efectiva una emulsión igual a la inicial de la que se obtiene el polvo. Para que esto ocurra, es importante que la capa protectora que encapsula el polímero, se libere con facilidad. De hecho, para lograr un efecto adecuado del polímero, es esencial controlar la naturaleza del polímero, su peso molecular y la proporción del coloide (PVOH) que se incorpora durante el proceso de secado (spry drying).
Gran parte de los polímeros redispersables que se utilizan actualmente son copolímeros de vinil-acetato donde el monómero secundario es etileno, estireno, vinil éster o ácido versático o laureato vinílico.
El tamaño de partícula medio es de 80 micras. Cuando se analiza el tamaño de partícula, una vez que el polímero se ha puesto en contacto con agua el tamaño medio es de aproximadamente 0.5-5 micras. Este tamaño de partícula del polímero influye en la habilidad de formación del film y las propiedades ligantes dentro de la matriz cementosa.
El coloide se consume normalmente en la fase acuosa o se dispersa con el cemento, los áridos o fillers existentes en el mortero al amasarlo. Así, una vez que comienza el proceso de amasado del mortero, las partículas de polímero polimerizan y forman una red a través de la microestructura del cemento. Esto no ocurriría si el polímero no se desencapsulara.
En la actualidad, los polímeros redispersables en polvo se usan en diferentes tipos de morteros utilizados para pavimentos, reparación, impermeabilizantes, etc; con objetivo de mejorar la resistencia a flexión y la adherencia del producto.
Las investigaciones previas en ésta área confirman que la incorporación de este tipo de polímeros, al igual que ocurre en el caso de los polímeros en su estado original,
mejora la resistencia a flexión y tiene un alto impacto en la resistencia a tracción del mortero final. Sin embargo, tiene un ligero efecto de bajada de las resistencias a compresión. Debe considerarse que la relación agua/cemento y la porosidad del material endurecido es lo que principalmente gobierna el valor de la resistencia a compresión.
Con los polímeros redispersables también se observa una mejora de la trabajabilidad debido a un ligero efecto plastificante del polímero en el mortero.
Las investigaciones y desarrollos más recientes llevados a cabo con hormigones y morteros modificados con polímeros se centran en la reparación de las estructuras dañadas de hormigón armado, el refortalecimiento y prevención del decapado, las membranas de impermeabilización, materiales inteligentes para la reparación, curados acelerados, pavimentos flexibles y aceras de drenaje con fotocatalizado.