Aplicaciones de la nanotecnología a la industria de la construcción

Aplicaciones de la nanotecnología a la industria de la construcción

La nanoTecnología aplicada a la industria de la Construcción permitirá la fabricación de nuevos materiales de construcción, más resistentes y dúctiles que el acero actual que se emplea en la construcción, manteniendo sus propiedades resistentes a temperaturas más altas y con una mayor resistencia a la corrosión, entre otras propiedades.

Los nuevos materiales cementíceos (hormigones, morteros…) tendrán una mayor resistencia a la fisuración, una mayor resistencia a compresión y a tracción y una mayor durabilidad; podrán ser también más impermeables.

Los nuevos materiales nanotecnológicos de construcción serán, también, más resistentes, ligeros y durables. Se fabricarán materiales con un mayor poder aislante y materiales más resistentes al fuego.

Los nuevos materiales serán más ecológicos y eficientes, fabricados con un menor consumo de energía y una menor emisión de gases como el CO2. Tendrán también la capacidad de eliminar elementos contaminantes existentes en la atmósfera, como el monóxido de carbono y los óxidos de nitrógeno, entre otros.

Los nanomateriales de construcción serán “inteligentes” con la capacidad de medir su estado de fisuración, su estado tensional y la deformación producida a lo largo de su vida útil.

Los nanomateriales de construcción abaratarán notablemente los costes de construcción y de explotación de las infraestructuras, estructuras y superestructuras. Su utilización incrementará también el nivel de seguridad de las construcciones, mejorando también su estética y confort, con un ahorro de energía muy notable, que contribuirá a alcanzar un desarrollo sostenido de la actividad humana.

Aplicación de la Nanotecnología a la industria de la construcción

Aplicación de la Nanotecnología a la industria de la construcción

 

1        Algunos nano materiales de construcción

1.1         El NanoHormigón

El hormigón tradicional se puede convertir en un Nano-Hormigón por los siguientes procedimientos:

  1. Adición de Nano partículas al cemento
  2. Reducción de las partículas de cemento a nanopolvo de cemento
  3. Hibridación del Silicato Cálcio Hidratado (C-S-H)
  4. Incorporación de NanoRefuerzos: Nanotubos y NanoFibras

1.2         Métodos de fabricación

  1. Adición de Nano partículas al cemento
  • NanoSílice (n.SiO2)
  • Nano Óxido de Titanio (n.TiO2)
  • Nano Óxido Férrico (n.Fe2O3)
  • Nano Óxido de Aluminio (Alúmina) (n.Al2O3)
  • Nano partículas de Arcilla
Hormigón con nano partículas de Ti O2

Hormigón con nano partículas de Ti O2

 

La adición de Nano partículas al cemento influye muy notablemente en su proceso de hidratación, a todas las escalas: nano, micro y macro, de los compuestos químicos que se generan, modificando su estructura; esta influencia incluye  la nano y la micro estructura del ( C-S-H ) gel , que tienen un efecto muy notable en la resistencia del hormigón a macro-escala.

Las Nano partículas rellenan los huecos entre los granos de cemento y entre los áridos y actúan como núcleos activos que incrementan la hidratación del cemento, por la gran reactividad de su superficie; mejoran sus propiedades resistentes, reducen su porosidad y la retracción del hormigón que causa su fisuración así como su posible posterior degradación.

La adición de Nano partículas incrementa también la cantidad de(C-S-H ) de  alta densidad, presente en la pasta de cemento y  disminuye las cantidades de hidróxido cálcico Ca (OH) 2 y la cantidad de ( C-S-H ) gel de menor densidad; la presencia en el hormigón de mayores cantidades de ( C-S-H ) gel de muy alta densidad, incrementa la resistencia a la disolución del carbonato cálcico de la matriz del hormigón.

La fabricación de nano productos cementantes (nano binders ), compuestos, mayoritariamente, por productos minerales  finamente pulverizados  como:  las cenizas volantes, el humo de sílice,  el meta caolín , la nano sílice ,con la adición de un 20%-30% de cemento portland finamente pulverizado ,para rellenar los huecos entre las partículas de los aditivos minerales, permitirá disponer de  nano productos de un mayor poder cementante y de materiales cementíceos  de propiedades  muy superiores a las de los cementos actuales. Estos nuevos nano productos cementantes reducirán significativamente las emisiones de CO2, producidas en la fabricación del cemento portland con menor consumo de energía; reducirán también el consumo de las materias primas tradicionales, principalmente calizas(limestone) y la reducción declinker de cemento portland. Como consecuencia de las mejores propiedades de los nuevos nano materiales cemetíceos, se reducirá  la fabricación y el consumo de cemento portland; este conjunto de acciones contribuirá a mejorar globalmente la sostenibilidad de la industria de la construcción en los próximos años.

componentes del nano cemento: puzolanas de elevado grado de finura, cemento portland de mayor grado de finura 50-500nm. en una proporción del20%-30%, nano sílice. Referencia (Sovolev K. et al.2006)

componentes del nano cemento: puzolanas de elevado grado de finura, cemento portland de mayor grado de finura 50-500nm. en una proporción del20%-30%, nano sílice. Referencia (Sovolev K. et al.2006)

 

 

 

1.3         Propiedades de los hormigones Nanotecnológicos según el tipo de Nano partícula añadida

 

Nano partícula Propiedades de los hormigones nanotecnológicos
SiO2

SiO2

SiO2

–          Mejora la trabajabilidad adicionando un súperplastificante.-          Hormigón más impermeable.-          Mayor resistencia a la disolución del carbonatocalcio.-          Incremento de la resistencia a compresión hasta el 26%, a 28 días.-          Incremento de la resistencia a flexión.-          Incremento de la velocidad de fraguado.
TiO2

TiO2

TiO2

–          Capacidad de auto-limpieza.-          Capacidad de eliminar agentes contaminantes en el medio ambiente como: NOx, CO2… (Fotocatálisis), en fachadas, pavimentos de carreteras…-          Acelera la hidratación a edad temprana del cemento.-          Incremento las resistencias a compresión, a flexión y a la abrasión.
Fe2O3

Fe2O3

Fe2O3

–          Auto-detección de la tensión a compresión soportada.-          Control en tiempo real del estado tensional sin utilizar sensores. Estructuras inteligentes.
Al2O3

Al2O3

Al2O3

–          Incremento del Módulo de elasticidad hasta el 140% adicionando un 5% de Al2O3.
Arcilla procesada

Arcilla procesada

Arcilla procesada

–          Incremento muy importante de las resistencias a compresión y a tracción de los morteros de cemento.-          Hormigones más impermeables.-          Resistencia a los cloruros.-          Hormigones auto-compactantes.-          Reducción de la retracción.-          Incremento de la resistencia, después de la primera fractura, utilizando partículas exfoliadas de arcilla recubiertas con una capa de PVA.

 

  1. Reducción de las partículas de cemento a nanopolvo de cemento

Hay dos procedimientos:

B.1.- Conminución de alta energía del clinker de cemento Portland (top-down)

B.2.- Síntesis química (bottom-up)

El NanoHormigón tiene las partículas de cemento de un tamaño <500 nanometros

Se puede decir que el Hormigón es un producto nanotecnológico cuando se disponga de herramientas químicas o mecánicas para controlar los nanoporos existentes y el emplazamiento de los productos de( C-S-H ) gel.

Propiedades de los NanoHormigones:

  • Procesado a temperatura ambiente.
  • Resistencia al calor (>600ºC).
  • Hacia la ausencia de la fisuración autógena.
  • Disminución drástica del CO2 en su fabricación.
  • Resistencias iniciales y finales a compresión y tracción más elevadas.
  • Buena trabajabilidad.
  • No es necesario el uso de superplastificantes.
  • Mayor resistencia a la segregación.
  • Mayor aceleración de la hidratación.
  • Mejor trabazón entre los áridos y la pasta de cemento.
  • Incremento de la tenacidad y de las resistencias al corte, a tracción y a flexión.
  • Muy buena compatibilidad química con los nanotubos de carbono para fabricar “el hormigón inteligente”.
  • Mayor durabilidad.
  1. Hibridación C-S-H

El proceso de hibridación modifica la estructura del silicato cálcico hidratado (C-S-H) del cemento por dos procesos diferentes:

1) Insertando nano moléculas orgánicas en la estructura del ( C-S-H ) gel.

2) Insertando” nanomoléculas invitadas” para establecerenlaces covalentes con la estructura del ( C-S-H ) gel.

3) Insertando “nanomoléculas invitadas” en los lugares de la cadena del ( C-S-H ) gel, en los puntos que tengan defectos y en los espacios entre capas.

  1. Incorporación de NanoRefuerzos: NanoTubos y NanoFibras

Los hormigones NanoTecnológicos se fabrican también incorporando nanotubos o nanofibras de carbono (CNTS, CNFS).

Estos nanomateriales, por sus extraordinarias propiedades mecánicas, también electrónicas y químicas, pueden incrementar las propiedades mecánicas de los materiales cementíceos, como el módulo de Youngpor el elevado módulo delos nano tubos de carbono (1,0 TPa ) y la resistencia a tracción; además, pueden conferir a los materiales cementíceos otras importantes propiedades, como: servir de escudo de campos electromagnéticosyla capacidad de convertirlos en materiales “inteligentes” ,pudiendo realizar un autochequeo, en tiempo real, de su estado de fisuración, de suestado tensional y de su deformación durante su vida útil.Los nanomateriales tienen la capacidad de incrementar muy notablemente las propiedades de los materiales cementícios, por su elevada superficie específica (hasta 600m²/g) y por su elevado índice de esbeltez (>1000), con la potencialidad de eliminar, prácticamente, la fisuración autógena que se produce en los hormigones y morteros durante el proceso de endurecimiento, distribuyendo las tensiones generadas por toda la masa de la matriz cementícea.

1.4         El acero nanoestructurado

La resistencia a tracción del acero tradicional apenas alcanza el 10% de su valor teórico (27,30 GPa) como consecuencia de los defectos e impurezas en su estructura interna, que se originan durante el proceso de fabricación.

En la actualidad ya se está fabricando el llamado ACERO NANOESTRUCTURADO, empleando una nueva tecnología de fabricación que manipula, a nano escala, su estructura durante el complejo proceso de fabricación.

La nueva tecnología de fabricación consigue una reducción de tamaño y una mayor uniformidad de los microcristales que se forman, eliminando o reduciendo los defectos en los cristalitos (de tamaño 100-200 nm).Si se produce alguna microfisura o discontinuidad durante la fabricación, ésta será finísima en anchura y de longitud muy pequeña, abarcando una menor extensión dentro de la masa del acero.

La modificación de la microestructura se produce por la adición de nano partículas autoensamblables (ej. Nano partículas de cobre) en los bordes de los granos de acero.

Otra técnica para modificar la estructura del acero haciéndola más compacta, uniforme y prácticamente con ausencia de defectos, consiste en someter al acero a un proceso de deformaciones plásticas severas.

En la actualidad se fabrican algunos tipos de acero nano estructurado como:

  • Microcomposite Multistructural Formable Steel (MMFX).
  • El acero bainítico.
  • Advanced high strength steels (AHSS).
  • Nanostructured ODS ferritic steel (Proyecto europeo).
  • El acero martensítico.
  • El acero de alta Resistencia, bajo en carbono, para la construcción de edificios, que incorpora nano partículas de cobre.

La tecnología de fabricación del acero nanoestructurado está en constante evolución y perfeccionamiento,nuevas aleaciones con la utilización denano partículas metálicas diversas. Todo este esfuerzo tecnológico permite la mejora continua de las propiedades de los nanoaceros, haciéndolos más eficientes, más resistentes a tracción a la vez que más dúctiles, tenaces y resistentes a la corrosión y la fatiga, además de otras propiedades como: mayores resistencias al frio y al calor, mayores resistencias a esfuerzos dinámicos, por su mayor deformabilidad plástica, mayor resistencia al creep y mayor resistencia al calor >700ºC.

Los aceros nano estructurados superarán ampliamente el valor 1,5 GPa de resistencia última a tracción, pudiendo llegar a alcanzar el valor de 2,0 GPa.

Los aceros nanoestructurados que se fabrican actualmente tienen una resistencia a tracción media de 1236 MPa, una resistencia al corte de 768 MPa y una deformación mínima del 12%, pudiendo llegar a alcanzarse valores del 30%.

En resumen, los aceros nanoestructurados permiten reducir la cuantía de acero en vigas y pilares,del orden del 15% / metro de perfil o barra. Es un material más ecológico y eficiente por su mayor resistencia a la corrosión y a la fatiga, al impacto y tiene una mayor ductilidad y tenacidad.

Barras MMFX2 de acero nanoestructurado

Barras MMFX2 de acero nanoestructurado

Diferentes tipos de acero. Relación resistencia-ductilidad.

Diferentes tipos de acero. Relación resistencia-ductilidad.

TRIP: acero martensítico al manganeso; elevada energía deabsorción

TWIP: twinning induced plasticity; acero al manganeso con plasticidad inducida

Maraging TRIP: acero martensítico envejecido antes y después del tratamiento

Austenitic: acero inoxidable austenítico

Curvas tensión deformación. Acero nanoestructurado con nanocristales Ni-Fe y Acero 4140 (Q-T).

Curvas tensión deformación. Acero nanoestructurado con nanocristales Ni-Fe y Acero 4140 (Q-T).

Otros importantes materiales de construcción nano estructurados >>

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2 comentarios:

  1. Pingback: Métodos de síntesis de las nano partículas - Nuevas Tecnologías y Materiales

  2. SYLVIA ZAMBRANO GOMEZ

    Me gustaría tener información de los investigadores sobretodo si son de universidades chilenas para poder contactarlos

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