Nano concreto Introducción Einstein fue el primero en comprobar la medida de las moléculas, las cuales son de una partícula por millón en un diámetro, en 1959 fue Richard P. Feynman quien predijo una tecnología que mundial que replicara los objetos a nivel nano. Hoy en día la nanotecnología es una de las investigaciones más activas en las áreas que comprende la ingeniera Civil y la producción de materiales de construcción, el interés en el cemento portland ha crecido cada día aún más, una de las más activas investigaciones que lleva acabo el cemento es la hidratación de partículas de cemento y su uso a tamaño nano, tal vez ingredientes como lo son el Aluminato y las partículas de sílice. Las fronteras de la nanotecnología se han logrado sobrepasar con la manipulación de la materia a nivel molecular, esta tecnología ha logrado permitir la creación de partículas y de un átomo por vez, las posibilidades con la nanotecnología son enormes y así como también son los grandes beneficios que este nos puede traer. El concreto es un campo muy amplio, así como este nos brindan muchas oportunidades pueden presentarse también muchas amenazas o peligros, para aquellas oportunidades que se puede transformar en beneficios de práctica, ingeniería, material científico, manufactura arquitectónica, y distribuidores deben enfocarse en los cambios que este debe tener para mantener el control y dominancia del sector contractivo. Recientemente las investigaciones han demostrado que el estado de la materia para los procesos de agregados para alto desempeño, han desarrollado totalmente una nueva dimensión para el cemento tecnológico clásico, al igual con los resultados que ha presentado la nanotecnología en si para la industria del sector constructivo, gracias a la innovación del concreto. Se han presentado nuevas técnicas y nuevos materiales para la tecnología del concreto, como este es el elemento más utilizado en la industria constructora, este ha tenido que pasar por rigurosas pruebas de calidad, este juega un papel muy importante y tiene como objetivo principal reforzar las investigaciones de la nanotecnología, y reforzar las bases, para ayudar a reforzar e impulsar a utilizar esta nueva tecnología para demostrar las ventajas que se obtienen con la tecnología del concreto.
Definición de nano concreto La nanotecnología se define por su fabricación de materiales para dispositivos a nivel atómico o molecular de precisión, como tamaños como una partícula de cabello de 100pm, partícula de una bacteria de 1µm, partículas de células 100nm, una partícula de ADN 5nm, y un átomo que mide 0.2nm. El comportamiento mecánico del concreto de los materiales depende de su estructura de sus elementos y un fenómeno que ocurre a una escala de nivel micro y nano, como un resultado de la nanotecnología ha podido modificar la estructura estructura molecular de los materiales materiales de concreto para mejorar sus propiedades, mayormente su desempeño mecánico, su estabilidad de volumen, durabilidad y sustentabilidad del concreto.
Propiedades El nano concreto está definido como concreto hecho de partículas de cemento portland de menos de 500 nano metros como agente cementante, este tipo de partículas van desde un tamaño de 0.2 nanómetros hasta los 100 nanómetros, hasta alcanzar un nivel micro, creando en si un micro cemento con partículas reducidas de hasta 5 micrómetros, para reducir la necesidad de producción de nano cemento. El nano concreto ha tenido efectos revolucionarios, permitiendo una mejora en cuanto a costos, alto desempeño, y durabilidad en la producción de cemento y concreto en sí, esto ha llevado a ideales de desarrollo auto sostenibles en adición a la nano ingeniería y materiales del concreto, que pueden guiar usos del concreto a campos inimaginables, así como la nueva clasificación de concretos con un sin número de aplicaciones para el área de transportación. La medida promedio de un cemento portland es de 50 micras, en la aplicación ha permitido brindar un producto final más fino y una puesta en menor tiempo, con la nanotecnología se ha logrado maximizar el tamaño de partículas hasta 5 micras, dando paso así un nuevo tipo de cemento denominado nano cemento portland, estas partículas pueden ser procesadas en nano tubos, y reactivos de partículas de nano sílices, para así crear cerámicas con mayor conductividad, fuerza, resistencia, y almacenamiento de calor, entre otros productos con ayuda de aplicaciones electrónicas.
Producto Deshidratado
Producto Hidratado
Propiedades de la Nano Estructura Cuando los Óxidos de Carbón alcanzan las temperaturas de los 400 grados centígrados, esta procede a ser retenida de manera mecánica mediante nano tubos de carbón que permiten que este no sobrepase esta temperatura gracias a sus propiedades, muchas de las cerámicas son procesadas en temperaturas mayores a los 400 grados centígrados, pero las fibras de carbón no pueden ser utilizadas en este proceso. A nivel micro se utiliza una analogía entre el concreto reforzado y el concreto con compuestos de fibras, y es que la fibras para el concreto reforzado también puede usado eficazmente con fibras pequeñas y cortas a nivel micro y nano. Como por ejemplo una cierta cantidad de fibras para refuerzo de concreto requiere un 0.5% de acero para una matriz de concreto, pero solo se requiere un 0.5% de tubos de nano carbón para realizar un concreto de Alto Desempeño, pero hay que tomar en cuenta que los tubos de nano carbón brindan propiedades mecánicas y eléctricas. Hasta el concreto de la más alta calidad posee capilaridades y micro fisuras, esto permite que el agua pase atreves de su estructura, el paso del agua y la humedad es posible gracias a algo llamado Absorción Capilar, incluso en los concretos más densos del más alto estándar no elimina la absorción de Agua por sus capilares y permeabilidad. El concreto en si inherentemente siempre va absorber la humedad y contaminantes solubles de su alrededor. Se puede afirmar la utilidad de la nanotecnología por su contenido de nano partículas e ingredientes como nano partículas de agua, y nano inclusores de aires, no obstante para dar una verdadera afirmación de del uso de la nanotecnología, se tiene que habilitar un control de cantidad y localización de estos ingredientes dentro del producto final, la escala de varios constituyentes de este material de concreto son de tamaño molecular, si pudiéramos crear químicamente o de manera mecánica las herramientas para el control de los nano poros a escala, y el posicionamiento de los calcios y sílices, se podría brindar un mayor hidratación con mucho mayor efectividad. La nano escala del concreto es fundamental para la investigación de la relación entre las cenizas volantes y el cemento portland en gel, utilizando un proceso tecnológico de procesos de dispersión de neutrones. La nano tecnología nos ha brindado un acercamiento a como se realiza la hidratación de las partículas de cemento, y la reactividad de las nano estructuras de cemento con la hidratación que desarrolla sus superficies y en cada grano de cemento individualmente. La Nano Escala del concreto ayuda a enfermedades del concreto como la reactividad Alcali-Silice ( ASR ) y el Retardo de una formación Etringita, Las dificultades que se presentan dentro de las carreteras y puentes de concreto, son exploradas a nivel molecular usando tecnología de dispersión molecular y otros procesos.
Se ha demostrado que se requiere un mejor control sobre el tiempo que se da para el fraguado del concreto, la evolución de los perfiles de hidrogeno demuestra las rupturas o micro fisuras presentadas en la superficie según el tiempo transcurrido, esta información puede ser utilizada para el estudio del concreto y su fraguado en una función de tiempo, temperatura, químicos del cemento, entre otros factores, como por ejemplo investigaciones del NRRA ha determinado que la hidratación del concreto a 30 grados centígrados es de aproximadamente de una hora y media. La desintegración de la superficie libera silicatos acumulados a los solutos de su alrededor, cuando este se integra al calcio para producir el gel de hidratos sílices de calcio, lo cual une todos los granos de cemento y asienta el concreto, esto resuelve un debate científico que ha existido durante siglos, las superficies de 20 nanómetros de grosor actúa como una capa semipermeable que permite que el agua traspase los granos de cemento y sus iones de calcio formando una reacción de gel sílice, causando así un hinchamiento en el cemento.
Reacción del concreto con los Alcali-Silicatos Reactivos ASR esto ocurre cuando un cemento álcali reacciona con un sílice de un agregado particular, esto provocaría como resultado un gel álcali Sílice, en todo caso de que hubiera suficiente humedad en la mezcla él se expandirá provocando daos significantes a los materiales, el ASR debilita nuestro concreto hasta tal punto en que es vulnerable a cualquier fuerza externa, esto es conocido como el SIDA del concreto, este reacción causa severos daños físicos y Químicos, este se envuelve en una fase de transformación que va dañando las capas de la estructura del concreto a nano escala. De acuerdo a investigaciones del ASR la aplicación de la dispersión de neutrones y la inhabilitación de la espectroscopia de positrones para medir la a nano y sub nano escala cambia la función del gel de la microestructura del concreto en su temperatura y su humedad relativa.
Síntesis del nano cemento usando nano partículas Síntesis de cemento usando nano partículas, es un proyecto apoyado por el National Science Foundation (US), han sintetizado el cemento portland tipo I utilizando nano partículas y la ha comparado con el cemento comercial, para evaluar sus propiedades y diferencias se han utilizado equipos como el (SEM) Microscopio Escáner de Electrones, (XRD) Difracción de Rayos X, estos equipos han sido utilizados para evaluar la morfología y estructura del Silicato Tricalcico (C3S), conglomerados de nano partículas de estructuras cristalinas, que contienen componentes de tri y di Alcali-silice como por ejemplo el oxido de cobre presente como componente en el cemento Sintetizado, las pruebas han demostrado que el nano concreto presenta un hidratación más temprana en los cementos sintetizados que el cemento portland. Los Nanos tubos de carbón se han fabricado para utilizarse como fibras compuestas que pueden heredar sus grandes propiedades, como por ejemplo, este puede ser mezclado con Aluminio-Sílices, para producir una pequeña malla muy resistente y conductiva, este compuesto puede ser utilizado para dar una mayor durabilidad, resistencia, mayores temperaturas y superficies de baja fricción, las partículas de estas están entre una tamaño de 50 a 100 nanómetros, y se puede refinar el proceso de
producción para maximizar el tamaño de las partículas entre unos 5 a 10 nanómetros, se logra alcanzar una reducción de hasta 10 veces el tamaño estándar. Según su módulo elástico y su comportamiento de compresión y tensión, comparten un modulo de fuerza en varias maneras, estos valores pueden ser utilizados en forma experimental y teórica, las pequeñas dimensiones de estos tubos, estos peque os tubos se han convertido en un gran reto para el área experimenta. Microscopios de Alta Resolución han ayudado a la innovación en el área del desarrollo de la manipulación de la nano tecnología, estos módulos se reportaron entre 270 a 3600 GPa, con una predicción teórica hasta de 5000 GPa, asumiendo un grosor de los nano tubos de carbono de 0.34 nanómetros. Resistencias a la Tensión tiene un porcentaje de fallo de hasta un 12% con una resistencia desde los 10 a 63 GPa. Resistencias a flexión se encontraron dentro de un rango de 1.72 más o menos de 0.64 GPa.
Para la producción de nano concreto
Ingredientes Para Tubos de Nano Carbón
Minerales Químicos Reductores de Agua Nano Cemento Nano Sílice Nano partículas de Vidrio.
Ingredientes Para Rellenos
Reductores de Encogimiento Partículas de Cemento.
Ingredientes Para Fibras
Fibras Metálicas Tubos de Nano carbón Fibras de Vidrio Woollaslastonita Fibras de Polímeros Membrana flexible Fibras de Cerámicas para altas temperaturas.
Propiedades del Nano concreto
Altas Resistencias a la compresión, de 15 a 75 MPa al primer dia, 40 a 90 MPa a los 28 días, y 120 MPa a los 120 días. Tiene una gran trabajabilidad con pequeñas relaciones agua cemento. No es necesario utilizar Superplastificantes. Se rellenan los micro poros y los micro espacios con facilidad Se ahorra hasta en 45% en valor monetario.
Conceptos fundamentales de la hidratación del nano cemento. Con la ayuda de la síntesis de nano cementos como se mencionó anteriormente, se ha logrado reducir las partículas con gran magnitud, esto se da gracias a una síntesis química o gracias a separadores de nano partículas. La mayor problemática que presenta este es la hidratación de las estructuras de nano concreto, y en esto juega un papel muy importante en lo que es la hidratación de la pasta del nano cemento como tal, y para esto se debe considerar.
Un milímetro cubico luego de su hidratación será igual a dos milímetros cúbicos después de su hidratación. Los 3 componentes más importantes de la mezcla serán silicato de calcio hidratado que representara el 50% a 60% del volumen de la mezcla, la portlandita este será un 20% a 25% y los calcio sulfo-aluminatos que representaran de un 15% a 20% . Los silicatos de calcio se forman en capas de menos de 2 nanómetros y entre ellas hay una especiación de 0.5 a 2.5 nanómetros.
Los hidróxidos de calcio o portlandita producen normalmente una cristalización de 1000 nanómetros. Para el nano cemento hidratado se debe considerar el agua adicionada, para una buena pasta se mas de 6 capas de moléculas de agua de 1.5 nanómetros de grosor, los excedentes se pueden remover o secar con un ambiente con 30% de humedad relativa. Los Vacíos capilares son de entre 10 a 1000 nanómetros, pero en una buena pasta hidratada con una baja relación agua cemente el tamaño normalmente de los capilares son de 100 nanómetros. El calor de hidratación es fuertemente influido por el tamaño de las partículas del cemento, este puede variar entre unos 320 m2/kg en cementos normales hasta unos 900 m2/kg en cementos para concretos de alta resistencia.
Beneficios del Nano concreto
Reducción de la contaminación del concreto debido a las pequeñas partículas sólidas de micro sílice. Menores Costos de construcción en sitio. Altas resistencias ante Compresión. Provee una mayor trabajabilidad. Eliminación de uso de SuperPlastificantes. Reducción de los peligros causados por la silicosis.
Recubrimiento para Nano concreto
Los recubrimientos para el concreto son barreras que protegen nuestra estructura interna, contra la abrasión, ataques químicos, variaciones hidrotermales, y para mejorar la apariencia de esta, la mayoría de los recubrimientos en la actualidad se encuentran dentro del rango del micrómetro. Nuevos materiales y técnicas son desarrolladas con el fin de lograr revestimientos a nivel manométrico, que sean más durables y generen menos calor, los recubrimientos podrían ser auto limpiables y auto curables, en la mayoría de los casos estas nuevas técnicas desarrolladas son evaluadas experimentalmente, con mejores paramentos en durabilidad expuesto en varias condiciones, resistente a la abrasión, resistente a la fricción, resistente a altas temperaturas y con características eléctricas. La relación entre el recubrimiento y los materiales juega un papel muy importante en cuanto a la durabilidad del sistema, los modelos pueden volverse muy complejos por que la interacción de estos con la materia prima con la interface, pero muy poco es conocido del desempeño de esta interface, como sus propiedades mecánicas, hidrotermales, y fuerzas magnéticas para los nano r ecubrimientos. Pequeños recubrimientos tienden a fallar por agrietamiento, de laminación y descorcha miento, se prefiere plantear modelos estables para el análisis de la iniciación y crecimiento de las fisuras, y los factores que contribuyen para su degradación. Se cree el conocimiento base para el análisis del grosor de recubrimiento de paredes se puede obtener o desarrollar mediante modelos analíticos, la mayoría de los recubrimientos tienen a acumular suciedad reduciendo su esteticismo, también el depósito de
ciertos materiales degradan la materia prima de la superficie con el tiempo, ciertos estudios ha intentado estudiar este nano recubrimiento dándole características similares a las hojas de loto, hidrofobicas y repeliendo las partículas de suciedad que viajan con el agua.
Conclusiones
Grandes cantidades de fondos y esfuerzos han sido utilizados para desarrollar la nanotecnología, incluso en los campos del cemento y el concreto, puede que este solo sea una pequeño campo en la nanotecnología, pero todos los esfuerzos e investigaciones en el área han sido para el desarrollo de nuevas técnicas y nuevos materiales, para brindar nuevos métodos de construcción más seguros y más eficientes
Actualmente los esfuerzos están enfocados en comprender la hidratación de las partículas de cemento, los nano sílices, y otros sensores, para brindar una única oportunidad de desarrollar un nano cemento que pueda guiarnos a una contribución de mayor magnitud.