Hacia una construcción sostenible

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Hacia una construcción sostenible:

cómo el óxido del grafeno incrementa la resistencia del concreto y favorece la reducción de las emisiones de CO2

La investigación de nuevas tecnologías para la industria del cemento y del concreto no solo se limita a mejorar su durabilidad, sino también a buscar estrategias para controlar su influencia en el cambio climático, teniendo como antecedente que esta industria es la tercera fuente más grande de emisiones de dióxido de carbono (CO2) y que el reto global para el 2030 es reducir dichas emisiones en al menos el 16%.

Nanotecnología

La nanotecnología para la industria del cemento no es un concepto nuevo, de hecho, el cemento es considerado un material nanoestructurado debido a que, el 50 a 60% de su composición consta de nanopartículas de aproximadamente 10 nm conocidas como silicatos cálcicos hidratados (C-S-H) o gel de tobermorita. Este importante componente nanométrico es el fundamento para el desarrollo de nuevas formulaciones aplicando otras nanopartículas como el Nano Sílice (n. SiO2), Nano Óxido de Titanio (n. TiO2), Nano Óxido Férrico (n. Fe2O3), Nano Óxido de Aluminio o alúmina (n. Al2O3), Nanopartículas de arcilla y Nanopartículas de carbono, como los nanotubos de carbono, nanopartículas de grafeno u óxido de grafeno.

“El C-S-H llena los espacios vacíos en el cemento, mejora la densidad, la cohesión, la impermeabilidad y la resistencia del cemento”

El óxido de grafeno (GO) es una nanopartícula de carbono que se obtiene a partir de la oxidación y exfoliación del gafito. Sus conocidas propiedades mecánicas y de impermeabilidad, combinadas con un efecto nucleante y de densificación en la microestructura del cemento captaron la atención de científicos e industriales al descubrir que el uso de bajas concentraciones de este nanomaterial permite el desarrollo de estructuras más resistentes, durables y amigables con el medio ambiente.  

“El GO promueve la formación de C-S-H para mejorar y acelerar la hidratación del cemento a través de un nuevo enlace químico”

¿Cómo interactúa el GO con el cemento?

Si bien está perfectamente documentado que el C-S-H es el responsable del 60 al 80% de la resistencia del cemento, las recientes investigaciones han demostrado que el GO favorece aún más estos resultados y que no es exclusivo para mejorar la resistencia mecánica, sino que también contribuye con otras propiedades como impermeabilidad, anticorrosividad y/o aislamiento térmico. Los beneficios que el GO aporta al cemento propiamente dicho o bien, a los materiales base cemento, se atribuyen a la interacción entre los grupos carboxilo (COOH) del GO con el C-S-H del cemento para formar fuertes enlaces químicos GO/C-S-H. Esto ocurre de la siguiente manera, cuando el cemento entra en contacto con el agua, este se disuelve y libera grandes cantidades de iones; por su parte, el GO al presentar una extensa superficie de área y buena capacidad para aumentar la movilidad de los iones Ca2+ en la pasta de cemento, el GO permite que estos se adsorban en él. En otras palabras, el GO actúa como plataforma para potenciar el efecto de nucleación o de promoción para formar una gran cantidad de partículas C-S-H (fig. 1.), fenómeno que finalmente facilita el proceso de hidratación a edad temprana y que a su vez conduce a la formación de microestructuras más densas, más resistentes y menos permeables. 

“La hidratación es el proceso mediante el cual el cemento en presencia del agua reacciona químicamente, desarrolla propiedades aglutinantes y se transforma en un agente de enlace”

Fig. 1. Representación esquemática sobre la interacción de la pasta de cemento en presencia de grafeno y óxido de grafeno. 
Tomado de: Nanotechnology Reviews (2021), vol. 10, no. 1, 768

Resistencia mecánica Vs. menores emisiones de CO2

La prueba de resistencia a la compresión es la medida más común para controlar la calidad del concreto y, por lo tanto, es también la técnica más utilizada para evaluar el efecto del GO en estas estructuras. De acuerdo con pruebas realizadas en laboratorio, la presencia del GO en el concreto puede superar el 50% de la resistencia esperada, mientras que las evaluaciones en campo reportan fluctuaciones de mejora en el rango del 5% hasta el 50%. Esta variación se debe a que, además del tipo de GO y dosificación estudiada, como toda estructura de concreto, la resistencia también depende de factores como la relación agua- cemento, el grado de compactación de la mezcla; las características del cemento, agregados y aditivos; la edad del concreto; la temperatura e higrometría del ambiente de curado. No obstante, estos valores son lo suficientemente atractivos para aprovecharse no solo en el diseño de estructuras más resistentes, sino también con menor contenido de cemento para contribuir con la reducción de las emisiones de CO2. De hecho, en 2019 un estudio realizado por investigadores de la Universidad de Cambridge reveló que, si la adición de nanopartículas de grafeno lograse reducir tan solo el 5 % del cemento en la mezcla de concreto, su efecto en el calentamiento global se reduciría en un 21%”.

Por lo anterior y, a partir de la 21ª Conferencia de las Partes de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (COP 21) celebrada en 2015, que concluyó con la adopción de la Decisión y del Acuerdo de París que, desde 2020 promueve un desarrollo con bajas emisiones de carbono para mantener el aumento de la temperatura global por debajo de los 2°C, empresas de países como Inglaterra, España, Estados Unidos, Vietnam y México, han acelerado sus esfuerzos para promover los beneficios de la nanotecnología grafénica en favor del medio ambiente.  

Energeia Fusion, la empresa mexicana líder en América Latina en la producción de materiales grafénicos y el desarrollo de aplicaciones, en 2018 lanzó al mercado Graphenergy construcción®, el primer aditivo para concreto con óxido de grafeno en el mundo; un aditivo multifuncional base agua que contribuye a mejorar distintas propiedades de las estructuras base cemento con una sola aplicación. Asimismo, en el corto plazo espera tener disponible un cemento reforzado con grafeno y contribuir a lograr los compromisos medioambientales.  

Fuentes

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  2. The role of graphene/graphene oxide in cement hydration. Nanotechnology Reviews. 2021;10(1): 768;
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