Nanotecnología aplicada en hormigones para túneles

*Por el Dr. Luis Fernández Luco, Facultad de Ingeniería – LaME – INTECIN – Universidad de Buenos Aires.

¿ A qué llamamos “nanotecnología”?
Según Kim Eric Drexler, en sentido estricto es “el control de la materia basado en la manipulación, molécula por molécula, de productos y subproductos por medio de sistemas de alta precisión, así como productos y procesos de manufactura molecular”.
En sentido más amplio, es posible identificar a la nanotecnología como “la manipulación de la materia con al menos una dimensión del tamaño de entre 1 a 100 nanómetros”.
Un nanómetro es una medida de longitud que corresponde a una milmillonésima parte de un metro (10-9 m) y, en consecuencia, la nanotecnología se caracteriza por ser un campo esencialmente multidisciplinar, y cohesionado exclusivamente por la escala de la materia con la que trabaja.
Está claro que en el ámbito de la construcción civil y de túneles en particular, resulta poco viable la definición de Drexler (manipulación molécula a molécula), por lo que nos referiremos, en general, al uso de partículas pequeñas, tanto micro como nano, en una acepción general del término.
La inclusión de las partículas de tamaño “micro”, cuando se habla de materiales compuestos granulares es importante porque en ellos aparece el efecto conocido como “densidad de empaque” (Packing density, en inglés), y es importante contar también con partículas de tamaño “micro” para alcanzar una correcta distribución de tamaños.
La Figura 1 ilustra el efecto del empleo de partículas de tamaño “micro” y “nano” en la mejora de la densidad de empaque de una estructura granular compuesta (que podría ser mortero u hormigón). La distribución de tamaños de varios órdenes de magnitud requiere de un uso cuidadoso de las proporciones para minimizar los efectos de la interferencia de partículas (efecto de aflojamiento y efecto pared), que conducen a estructuras menos compactas.

¿Qué aspectos del hormigón se pueden mejorar (optimizar) por medio de la nanotecnología

?
Mediante nanotecnología es posible mejorar tanto los cementos como los aditivos, pero también formular nanocementos y nanoaditivos, cuyo diseño está expresamente dedicado al uso de la nanoescala, complementado con partículas micro y nano estructuradas.
Así, es posible modificar las propiedades mecánicas, en particular la resistencia a la tracción y la tenacidad por medio de cambios morfológicos y la conformación de micro y nano refuerzos (a escala de pasta y de mortero, respectivamente). En determinadas circunstancias, también es posible recurrir a la nanotecnología para la reducción significativa de la permeabilidad y el ingreso de sustancias gaseosas o líquidos, lo que incrementa la durabilidad del producto, su resistencia a las acciones del medio. El cuadro siguiente aclara estas circunstancias. (Ver cuadro 1)
La posibilidad de lograr compuestos autoreparables o autolimpiantes supone avances interesantes en lo que respecta al mantenimiento de las soluciones en hormigón, así como la posibilidad de diseñar hormigones autoreparables por la adición de micro y nano partícu

las rellenas con epoxi que, en caso de una fractura, se libera y manifiesta su capacidad de sellado.
La modificación de las características superficiales mediante nanotecnología también constituye una novedad “real”, pues existen los productos comerciales con ese fin. Los cambios en las características de la superficie pueden conseguir que los líquidos “no mojen”, y por lo tanto, no ingresen. La Figura 2 que se muestra a continuación es elocuente. Ese mismo recurso se emplea para protecciones “antimancha” en fibras textiles, cueros y revestimientos de otro tipo.
Hablando de revestimientos especiales, es importante hacer mención a los revestimientos autolimpiantes fotocatalíticos.
Basados en dióxido de titanio “dopado”, estos revestimientos pueden aportar beneficios innovadores a las superficies expuestas: además de la autolimpieza y consecuente mantenimiento de la reflectancia por oxidación de la materia orgánica que se deposita gracias a fenómenos de fotocatálisis, se obtiene una mejora de la calidad de aire por la reducción de los NOx.
El aprovechamiento de la “nanoescala” en la tecnología de cementos conduce a los “nanocementos”, elaborados a partir de “nanoclinker”, que se obtiene por molienda selectiva con elementos moledores esféricos de óxido de zirco

nio, alcanzándose elevadas finuras y tamaños de partícula de entre 200 y 300 nm (dos órdenes de magnitud menores que el tamaño actual). Estos “nano-cementos” se emplean como sustitución parcial del cemento portland convencional y, entre sus efectos positivos se pueden citar la reducción en la temperatura de clinkerización, mayor reactividad y menor espesor de la zona de interfaz.
El efecto de empleo de partículas pequeñas ya era conocido por las típicas adiciones minerales activas al cemento, tecnología absolutamente implementada en la industria y que se rige por reglas similares.
La posibilidad de disponer de partículas de pequeño tamaño (micro y nano sílice), cenizas volantes y escoria de alto horno granulada molida (finamente), ha permitido identificar los efectos más importantes asociados con el uso de estas adiciones: La Figura 3 que sigue ilustra algunas de las adiciones más comunes, que comprenden tanto la micro como la nano escala.
El efecto de las nanoadiciones puede explicarse por tres fenómenos simultáneos:
Atracción de los materiales hidratados que se depositan en sus superficies actuando como centros de nucleación.
Potentes catalizadores de las reacciones de hidratación.
Material ultra fino de relleno de los nano poros que se forman en la pasta de cemento, reduciéndose la porosidad capilar de la pasta de cemento.
El tamaño de partícula y la elevada finura han dejado de ser un problema cuando se tienen consideraciones acerca del calor de hidratación generado, que puede conducir a la necesidad de parar la obra para volver a la situación primitiva.

¿Qué podemos esperar en el futuro?
Sabemos que, a pesar de que su definición intrínseca proviene de hace casi 60 años, la nanotecnología está en pleno desarrollo; la era “nano” recién comienza. Se vislumbran avances significativos en el diseño y síntesis de materiales, aplicaciones específicas para monitorización y sensorización, mejora sustancial del mantenimiento preventivo y el diseño de estrategias de auto-sellado y auto-reparación.
La manipulación de la nanoescala permitirá obtener soluciones específicas adaptadas a las necesidades de cada caso, con mejoras sustanciales en las propiedades físico-mecánicas de materiales, el diseño de materiales “libres de defectos macroscópicos”, reforzados en la micro y nano escala y muchas otras aplicaciones que sería casi imposible siquiera vislumbrar.