Hace mucho tiempo que la industria del concreto hidráulico busca soluciones que permitan al sector de la construcción mejorar los rendimientos en los procesos con el objetivo de hacer más rápida y oportuna la entrega de las obras, mejorar la calidad de los productos utilizados –sin incrementar los costos– y disminuir los problemas que pueden presentarse en el funcionamiento de las estructuras a lo largo de su tiempo de servicio.
Por lo anterior, los departamentos de investigación de diferentes organizaciones e industrias realizan grandes esfuerzos continuos hacia el mejoramiento de las características técnicas del concreto hidráulico en estado fresco y endurecido, dado que este material es el principal insumo en el sector industrial de la construcción.
De otra parte, la industria química de los aditivos siempre ha estudiado este material para encontrar soluciones tecnológicas hacia el logro de estos objetivos, brindando nuevas herramientas tanto al sector de la construcción como a la industria del prefabricado, para hacerlos competitivos en el giro reciente que ha dado el Estado colombiano hacia la implementación de planes de desarrollo y la construcción de viviendas de interés social, que reclaman edificaciones en concreto de menores costos, tiempos breves de construcción y reducción del uso de acabados externos, lo cual abre oportunidades a la implementación de las nuevas tecnologías que se desarrollan para el concreto, con miras a la aplicación en la industria del prefabricado.
Se mostrarán a continuación los avances en torno a los nuevos aditivos basados en los principios de la nanotecnología de partículas, cuyo principal objetivo es mejorar la microestructura del concreto hidráulico.
Nanocristalización en el concreto hidráulico
En años recientes la nanocristalización se ha convertido en una tecnología innovadora que puede brindar un aporte importante a la industria del concreto prefabricado, dado que permite obtener resistencias elevadas a edades tempranas en periodos entre 4 y 18 horas, sin acudir a fórmulas basadas en acelerantes convencionales que acortan el tiempo de trabajabilidad de las mezclas colocadas en obra.
La tecnología de las nanopartículas en suspensión mejora la microestructura del concreto bajo el mecanismo de siembra y cristalización de partículas de silicato de calcio hidratado a escala nanométrica, lo que incrementa las resistencias iniciales en cuestión de horas, sin afectar de forma significativa las resistencias a edades tardías.
Cabe anotar que esta ganancia de resistencia inicial se puede obtener en pastas de cemento, en morteros y en concretos de cualquier especificación, lo que permite mejorar los materiales cementantes o, en su defecto, obtener las resistencias requeridas en horas para mejorar los procesos productivos en la industria del prefabricado y la construcción en general.
Funcionamiento de la nanocristalización
La tecnología de aditivos de nanocristalización posee un mecanismo de reacción que se basa en la disminución de la barrera energética requerida para llevar a cabo el proceso de cristalización de las partículas de C-S-H (productos de hidratación del cemento). La presencia de C-S-H en forma de semillas a escala nanométrica favorece el requerimiento energético de cristalización y aporta al incremento inicial de las resistencias a través los siguientes dos mecanismos:
- Formación inmediata de productos C-S-H (silicato de calcio hidratado) dados el tamaño de partícula y el área superficial activa de las partículas suspendidas en el producto.
- Formación de productos de silicato hidratados en los espacios intersticiales entre los granos de clínker aportados por el cemento, lo que favorece la cristalización del C-S-H tanto en la superficie de los granos de clínker como entre espacios vacíos entre partículas.
La formación de productos de hidratación de cemento entre los granos de clínker incrementa la presencia de C-S-H en la mezcla y produce un efecto acelerado en la reacción química de los componentes C3S, C2S y C3A con el agua de mezclado, que favorece el soporte mecánico que se obtiene con la mezcla de concreto. Para mejor comprensión de los aspectos mencionados, a continuación se presenta una esquematización del mecanismo de acción de esta tecnología.
Cemento mezclado son agua 15 minutos después, sin aditivo.
Cemento 14 horas después mezclar con agua sin aditivo.
Cemento 14 horas después de añadir aditivo de nanocristalización.
Efecto de la nanotecnología de aditivos en la pasta de cemento
En el nivel molecular, el principal efecto por parte de la química de nanocristalización es el crecimiento acelerado de las partículas hidratadas de cemento en un periodo de tiempo muy corto, con resultados de ganancia de resistencia a la compresión. Como se evidencia a continuación, la aplicación de esta tecnología mejora la microestructura del cemento hidratado y abunda en la formación de cristales que reducen el índice de vacíos entre partículas.
En la Figura 2 se evidencia la formación de cristales de tamaño escaso (etringita) alrededor de las partículas de silicato tricálcico y aluminato tricálcico (C3S y C3A, respectivamente). Aquí es posible contrastar el inicio del proceso de hidratación del cemento.
Por otro lado, la Figura 3 muestra el crecimiento de cristales únicamente sobre la superficie del silicato tricálcico, y la Figura 4 presenta el efecto del aditivo de nanocristales de C-S-H pues, como se observa en la microscopía electrónica, el crecimiento del silicato hidratado se presenta no solo a nivel superficial, sino que también a nivel interno. Es decir, los micro- y nanoporos se saturan con el crecimiento y cristalización de las nanopartículas de C-S-H que aporta el aditivo.
Calorimetría isotérmica de concreto (NC: nanocristalización).
Ventajas de los aditivos de nanocristalización
La influencia de la adición de las fórmulas de nanocristalización en la hidratación del cemento abre una alternativa nueva que permite optimizar costos en los diseños de morteros y concretos empleados en obras civiles y en infraestructura social, donde las exigencias de desempeño y resistencia sean elevadas, en periodos de tiempo muy breves.
Para poner en evidencia el desempeño real de este tipo de aditivos, se muestra la curva cinética de hidratación del cemento mediante calorimetría de flujo isotérmico y el incremento de resistencia a la compresión de especímenes de mortero y concreto.
Como podrá verse a continuación, cuando se tiene la adición de nanopartículas de C-S-H en los morteros es posible obtener resultados satisfactorios en términos de resistencia a la compresión durante plazos menores a 24 horas, dado que se facilita la obtención de resistencias que superan en más del 200% los valores obtenidos por la referencia sin aditivo nanocristalizador (véase Figura 6). Lo anterior hace posible reducir los consumos de cemento en los morteros e incrementar de manera significativa el desempeño de los productos y diseños finales.
Por otra parte, dado que el aspecto de mayor importancia en el desempeño de esta tecnología es la ganancia de resistencia a la compresión en el concreto hidráulico, la Figura 7 nos muestra la eficiencia del incremento de la resistencia de los especímenes que utilizan el aditivo nanocristalizador, pues esta propiedad aumenta rápidamente su desempeño a edades inferiores a 3 días y mantiene el efecto a lo largo del tiempo, hasta llegar a la edad de 28 días, con valores de resistencia superiores al 10% respecto a la referencia sin aditivo.
Además, la Figura 8 muestra que existe alta compatibilidad de la tecnología de nanocristalización cuando se aplica en sinergia con aditivos de reducción de agua de alto rango, pues la pérdida de trabajabilidad en el tiempo del concreto no se ve alterada por la presencia de las nanopartículas de C-S-H, a diferencia del efecto que se obtiene con el uso de aditivos o adiciones convencionales utilizadas en el mejoramiento del desempeño de las resistencias iniciales de los concretos.
Todo lo expuesto refleja la importancia que tiene aplicar nuevas alternativas en el sector de la construcción, entre ellas la nanotecnología de aditivos químicos, pues de esta forma será posible continuar brindando soluciones a la industria del prefabricado para mejorar los rendimientos de producción y la calidad de los productos realizados, sin afectar las ventajosas características propias de estos concretos.
Por esta razón tiene vital importancia continuar el trabajo conjunto entre el productor de los prefabricados y el proveedor de la tecnología de aditivos, para elegir la mejor sinergia entre las químicas tradicionales utilizadas en estos concretos y la química de nanocristalización, a fin de cumplir los objetivos de obtener el mejor desempeño de estos concretos a nivel de resistencias a edades muy tempranas, y dar a esta industria una ventaja competitiva para seguir ganando mercado en la construcción en general y para aumentar su compromiso en el desarrollo de nuevas alternativas de construcción en la vivienda y la infraestructura de interés social.
Eficiencia de la rápida aceleración de resistencias en los morteros durante diferentes edades usando aditivos reductores de agua de alto rango.
Efecto del uso de aditivo de nanotecnología en el rápido incremento de resistencias iniciales del concreto.
Compatibilidad de aditivo de nanocristalización con aditivos plastificantes y reductores de agua de alto rango, en términos de pérdida de flujo.
