Novedoso cemento inteligente permitirá construir carreteras y ciudades más resistentes al agua y a las fracturas

La incorporación de nanomateriales en el cemento tradicional mejora la resistencia al agua y a las fracturas.

Las fuerzas de la naturaleza se han burlado de los materiales que utilizamos para construir nuestra infraestructura desde que comenzamos a producirlos.

El hielo y la nieve convierten las carreteras principales en escombros todos los años; los cimientos de las casas se agrietan y se derrumban, a pesar de su sólida construcción.

Además de las toneladas de desechos producidos por trozos de concreto rotos, cada carril-milla de carretera le cuesta a los EE. UU. aproximadamente US$ 24,000 por año para mantenerlo en buen estado.

Los ingenieros que abordan este problema con materiales inteligentes generalmente mejoran la función de los materiales al aumentar la cantidad de carbono, pero al hacerlo, los materiales pierden algo de rendimiento mecánico.

Al introducir nanopartículas en el cemento ordinario, los investigadores de la Universidad Northwestern han formado un cemento más inteligente, duradero y altamente funcional.

La investigación fue publicada en la revista Philosophical Transactions of the Royal Society A.

Dado que el cemento es el material más consumido a nivel mundial y la industria del cemento representa el 8% de las emisiones de gases de efecto invernadero causadas por el hombre, la profesora de ingeniería civil y ambiental Ange-Therese Akono recurrió al cemento nano reforzado para buscar una solución.

Akono, autor principal del estudio y profesor asistente en la Escuela de Ingeniería McCormick, dijo que los nanomateriales reducen la huella de carbono de los compuestos de cemento, pero hasta ahora, se sabía poco sobre su impacto en el comportamiento de las fracturas.

“El papel de las nanopartículas en esta aplicación no se ha entendido hasta ahora, por lo que este es un gran avance“, dijo Akono.

“Como experto en mecánica de fracturas por formación, quería entender cómo cambiar la producción de cemento para mejorar la respuesta a la fractura”.

Las pruebas de fractura tradicionales, en las que se proyecta una serie de rayos de luz sobre un gran bloque de material, implican mucho tiempo y materiales y rara vez conducen al descubrimiento de nuevos materiales.

Mediante el uso de un método innovador llamado prueba de rayado, el laboratorio de Akono formuló predicciones de manera eficiente sobre las propiedades del material en una fracción del tiempo.

El método prueba la respuesta a la fractura aplicando una sonda cónica con una fuerza vertical creciente contra la superficie de trozos microscópicos de cemento.

Akono, quien desarrolló el método novedoso durante su doctorado dijo que requiere menos material y acelera el descubrimiento de otros nuevos.

“Pude ver muchos materiales diferentes al mismo tiempo”, dijo Akono.

“Mi método se aplica directamente a escalas micrométricas y nanométricas, lo que ahorra una cantidad considerable de tiempo.

Y luego, basándonos en esto, podemos comprender cómo se comportan los materiales, cómo se agrietan y, en última instancia, predecir su resistencia a la fractura“.

Las predicciones formadas a través de pruebas de rayado también permiten a los ingenieros realizar cambios en los materiales que mejoran su rendimiento a mayor escala.

En el artículo, se utilizaron nanoplaquetas de grafeno, un material que está ganando popularidad rápidamente en la formación de materiales inteligentes, para mejorar la resistencia a la fractura del cemento ordinario.

También se demostró que la incorporación de una pequeña cantidad del nanomaterial mejora las propiedades de transporte de agua, incluida la estructura de los poros y la resistencia a la penetración del agua, con disminuciones relativas informadas del 76% y 78%, respectivamente.

Las implicaciones del estudio abarcan muchos campos, incluida la construcción de edificios, el mantenimiento de carreteras, la optimización de sensores y generadores y el monitoreo de la salud estructural.

Para el 2050, las Naciones Unidas predice que dos tercios de la población mundial se concentrarán en las ciudades.

Dada la tendencia hacia la urbanización, se espera que la producción de cemento se dispare.

La introducción de concreto verde que emplea cemento más liviano y de mayor rendimiento reducirá su huella de carbono general al extender los programas de mantenimiento y reducir el desperdicio.

Alternativamente, los materiales inteligentes permiten que las ciudades satisfagan las necesidades de poblaciones en crecimiento en términos de conectividad, energía y multifuncionalidad.

Los nanomateriales a base de carbono, incluidas las nanoplaquetas de grafeno, ya se están considerando en el diseño de sensores inteligentes a base de cemento para el monitoreo de la salud estructural.

Akono dijo que está emocionada por los seguimientos del artículo en su propio laboratorio y las formas en que su investigación influirá en los demás.

Ella ya está trabajando en propuestas que analizan el uso de residuos de la construcción para formar concreto nuevo y está considerando “llevar el papel más allá” aumentando la fracción de nanomaterial que contiene el cemento.

“Quiero ver otras propiedades como comprender el desempeño a largo plazo”, dijo Akono.

“Por ejemplo, si tiene un edificio hecho de nanomateriales a base de carbono, ¿cómo puede predecir la resistencia en 10, 20 incluso 40 años?“

Fuente: NorthWestern Now