NANOTECNOLOGÍA EN EL CONCRETO, NANOALUMINA Y NANOHIERRO

OBTENCIÓN DE MATERIA PRIMA

El aluminio forma parte de la corteza terrestre en una proporción aproximada al 8%, lo que lo convierte en el elemento químico más abundante después del oxígeno (47%) y el silicio (28%). No se presenta puro en la naturaleza, sino que aparece combinado

fundamentalmente con el oxígeno, formando óxidos e hidróxidos, que a su vez se hallan mezclados con óxidos de otros metales y con sílice. El mineral del que se extrae el aluminio casi exclusivamente se llama bauxita.

La obtención del aluminio se realiza en dos fases:

1. La extracción de la alúmina (Al2O3) a partir de la bauxita (proceso Bayer)

2. La extracción del aluminio a partir de la alúmina mediante electrólisis

OBTENCIÓN DE MATERIA PRIMA

Una vez obtenida la alúmina se procede a la obtención de las partículas nanométricas a través de métodos físicos:

1. La evaporación térmica: Consiste en el calentamiento hasta la evaporación del material que se pretende depositar. Se lleva a cabo en una cámara de vacío en la que se condensa el vapor sobre una lámina fría requiriendo en todo momento un control preciso de las condiciones de crecimiento para no reducir una modificación de la morfología de la capa depositada.
2. El depósito químico en fase vapor (CVD, por sus siglas en inglés): Consiste en la descomposición de uno o varios compuestos volátiles, en el interior de una cámara de vacío (reactor), dentro o cerca de la superficie de un sólido para dar lugar a la formación de un material en forma de capa delgada o de nanopartículas.
3. La preparación de clústeres gaseosos: En este se hace uso de un láser pulsado de alta potencia para producir vapores atómicos metálicos que son acarreados en un gas inerte y posteriormente son depositados en un óxido monocristalino u otro sustrato, bajo condiciones de ultraalto vacío.
4. La implantación de iones: Esta técnica consiste en que los iones de un material pueden ser implantados en un sólido, cambiando por tanto las propiedades físicas y químicas de este último, ya que el ion implantado puede ser de un elemento distinto al que lo compone, también puede haber cambios estructurales en el sólido al que se le implanta.
5. La molienda de partículas de tamaño macro o micrométrico: La síntesis se realiza por medio de molinos de alta eficiencia; las partículas resultantes son clasificadas por medios físicos, recuperándose las de tamaño nanométrico.

OBTENCIÓN DE MATERIA PRIMA

A su vez también se puede llegar a la obtención de las partículas nanométricas a través de métodos químicos:

1. Método coloidal: Consiste en disolver una sal del precursor metálico o del óxido a preparar, un reductor y un estabilizante en una fase continua o dispersante (un líquido en este caso). Este último puede jugar el papel de reductor, de estabilizante o ambos.
2. Reducción fotoquímica y radioquímica: Este tipo de síntesis de nanopartículas metálicas permite que el sistema químico sea modificado por medio de altas energías, se asocia con la generación de reductores fuertes altamente activos como electrones, radicales y especies excitadas.
3. Irradiación con microondas: La técnica de irradiación con microondas produce nanopartículas con una muy baja dispersión de tamaño, aunque no siempre se logra un control preciso en la morfología, como pasa en la mayoría de las técnicas de “abajo hacia arriba”. Las microondas actúan como campos eléctricos de alta frecuencia, capaces de calentar cualquier material conteniendo cargas eléctricas como las moléculas polares en un disolvente o iones conductores en un sólido.
4. Irradiación con microondas: La técnica de irradiación con microondas produce nanopartículas con una muy baja dispersión de tamaño, aunque no siempre se logra un control preciso en la morfología, como pasa en la mayoría de las técnicas de “abajo hacia arriba”. Las microondas actúan como campos eléctricos de alta frecuencia, capaces de calentar cualquier material conteniendo cargas eléctricas como las moléculas polares en un disolvente o iones conductores en un sólido.

CARACTERÍSTICAS

La alúmina cuenta con propiedades mecánicas que la hacen un material único e ideal para algunas de las necesidades de la industria moderna.

• Dureza: La alúmina tiene un 9 en la escala Mohs. No puede ser rayado por algo que tenga una dureza inferior por lo que la alúmina solo puede deteriorarse por muy pocos materiales, entre ellos el diamante.
• Resistencia compresión: Es el fuerte de la alúmina que pudiendo llegar a 3000 (Mpa) un valor que puede superar a la Zirconia. Como aislantes de tornillería funcionan perfectamente ya que se somete a la Alúmina a una compresión constante para garantizar el apriete.

La nanoalúmina se refiere a partículas de óxido de aluminio (Al2O3) a escala nanométrica. Cuando se incorporan en el concreto, estas nanopartículas pueden mejorar diversas propiedades del material.

• Resistencia y Durabilidad:

Las partículas de nanoalúmina pueden contribuir a aumentar la resistencia a la compresión y la durabilidad del concreto.

Pueden ayudar a reducir la permeabilidad del concreto, haciéndolo más resistente a la penetración de agua y ataques químicos.

• Propiedades Mecánicas Mejoradas:

La adición de nanoalúmina puede mejorar las propiedades mecánicas del concreto, como la resistencia a la flexión y la tenacidad.

• Reducción de la Contracción:

Las nanopartículas pueden mitigar la contracción del concreto durante el curado, lo que es beneficioso para prevenir grietas.

• Aumento de la Superficie:

Las partículas a escala nanométrica tienen una mayor área superficial en comparación con partículas más grandes, lo que puede mejorar la unión con la matriz de cemento.

• Desarrollo Temprano de Resistencia:

Algunos estudios sugieren que la nanoalúmina puede contribuir al desarrollo temprano de la resistencia en el concreto.

• Desafíos:

La dispersión de nanopartículas en la mezcla de concreto puede ser desafiante, y puede ocurrir la formación de agregados.

Consideraciones de costos: El uso de nanomateriales en el concreto puede ser más costoso en comparación con aditivos de concreto tradicionales.

• Investigación y Normativas:

La investigación está en curso en el campo de la nanotecnología en materiales de construcción, y las normativas para el uso de nanomateriales en el concreto aún están evolucionando.

ENSAYOS DE MEZCLAS CON ADICIÓN DE NANO ALUMINA

Se tomó como referencia la tesis “HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTE CON NANO-ADICIONES DE SÍLICE Y ALÚMINA”, de ALFONSO PELÁEZ CARRETERO. En la tesis podemos encontrar los siguientes parámetros para la dosificación del concreto ensayado:

Dentro de la fabricación de este tipo de HAC cabe destacar los siguientes materiales utilizados en su elaboración, que son el tipo de cemento utilizado, las nano-adiciones tanto de Sílice como de Alúmina, el superplastificante y el modificador de viscosidad, las cuáles a continuación, se pasa a realizar una breve descripción de cada una de ellas:

Cemento LAFARGE I 52.5 R/SR: Se trata de un cemento de resistencia característica a los 28 días de 52.5 N/mm2 , con resistencia a los sulfatos y al agua de mar.

Nano Alúmina: La Nano-Alúmina empleada cuya marca es Vicar. S.A, ha sido suministrada y presentada en forma de polvo tipo Alúmina SubMicrónica, y las características principales del producto se muestran en la siguiente tabla:

A continuación, se muestran dos fotografías del producto tanto de la presentación del envase, como del estado de presentación del mismo.

Conclusiones del ensayo:

• En lo que respecta al estudio y aplicación de la nano-tecnología hacia los hormigones autocompactactes, decir que es una técnica relativamente reciente en proceso de estudio y ensayo. Actualmente existen ciertas publicaciones cuyo énfasis se centra en la aplicación de la nano-tecnología a los HAC.
• La aplicación en nuestro caso de Nano-adiciones de Sílice y de Alúmina para el estado fresco de un HAC, no influye prácticamente en las mismas, pudiendo decir si acaso, que se produce una cierta mejoría en la trabajabilidad de la mezcla para la misma proporción del 2% de superplastificante suministrada con respecto al hormigón de referencia, dando una leve mejoría en la autocompactación y capacidad de paso con respecto a este último.
• El Hormigón Autocompactante de nuestro caso de estudio, presenta en estado fresco una muy buena homogeneidad y no presenta ni segregación ni exudación, clasificándolo según la norma como un HAC Sf2, con buena capacidad de autocompactación y capacidad de paso.
• La relación de a/c es fundamental a la hora de la fabricación de la mezcla, así como el contenido de árido fino de buena calidad, lo cual va a provocar una mejora en las características tanto en estado fresco como en estado endurecido del amasado.
• La resistencia a compresión simple baja a los 28 días con respecto al hormigón de referencia en un 21%, lo cual es indicativo que la nano-sílice, mezclada con la nano-alúmina, no produce el efecto de aumento de resistencia para edades tempranas debido a sus características puzolánicas.
• El hormigón de control gana mucho más rápido la resistencia a compresión que el hormigón de estudio. HORMIGÓN AUTOCOMPACTANTE CON NANO-ADICIONES DE SÍLICE Y ALÚMINA 90.
• Respecto a la resistencia a tracción indirecta a 28 días, comentar que el hormigón de estudio presenta un dato superior al de referencia en un 8.3%.
• Las roturas que se producen en todos los ensayos destructivos son evidentemente frágiles, ya que las nano-adiciones no aportan ninguna propiedad de ductilidad al hormigón como se puede observar en las gráficas del ensayo de flexotracción, en donde la caída de la curva tras la pérdida de resistencia del hormigón, es vertical.
• Comentar que, con respecto al módulo de elasticidad ensayado a 28 días, para el hormigón de estudio, este parámetro baja en un 14% con respecto al de referencia.
• Respecto a la durabilidad/penetración comentar que, para el hormigón fabricado, los datos están según normativa dentro de los parámetros de los hormigones autocompactables considerados durables, por lo tanto en este aspecto, se puede considerar una buena resistencia a la penetración del hormigón de estudio.