Innovación y desarrollo para transformar la tecnología de los materiales viales
*Por el Ing. Hugo Bianchetto.
La nanotecnología es el conjunto de técnicas que abarca la investigación, la elaboración y el uso de materiales y otros elementos de dimensiones nanométricas. Implica, por lo tanto, la manipulación de la materia a micro escala. Por eso se la ha llamado, acertadamente, “la ciencia de lo diminuto”.
Un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro, o la milésima de un micrón. Tal magnitud significa sumergirse en un universo atómico y molecular, en el cual la materia adquiere características muy diferentes a las que posee a nivel macroscópico.
En la industria de la construcción vial, la nanotecnología se encuentra en pleno proceso de desarrollo, aunque ya se vislumbran avances significativos, comenzando a utilizarse en forma paulatina pero sostenida. Su empleo permitirá disponer de materiales resistentes y livianos, con mayor durabilidad y menor impacto ambiental.
En este artículo se ofrece un panorama actualizado de las aplicaciones de nano materiales y nano compuestos en la ingeniería de carreteras. En particular, se hará hincapié en las nano-cales, los nano-cementos y los nano-asfaltos, que promueven modificaciones beneficiosas de estos materiales en las capas de estabilizados, de hormigones y de mezclas asfálticas en la estructura del camino. De todos modos, debe puntualizarse que su potencialidad no se limita a estos tópicos, sino que se proyecta también hacia los procesos constructivos, las carreteras inteligentes y otros materiales y dispositivos de señalización y seguridad vial como los aceros y metales en general, los plásticos y las pinturas.
Nano-cales
El uso de la cal en la construcción de caminos tiene dos finalidades muy disímiles, pero en ambos casos, relevantes: como estabilizador de suelos y como fíller de mezclas asfálticas, aunque últimamente también se están estudiando las mejoras que puede aportar a los riegos bituminosos.
El problema de los suelos plásticos es su inestabilidad frente al agua. El agregado de cal al terreno tendrá como consecuencia casi inmediata una brusca disminución del índice plástico, por aumento del límite plástico y disminución del límite líquido. También se ha utilizado la cal como “secante” súbito de suelos excesivamente húmedos. Las “cales de uso vial” son cales en polvo, constituidas principalmente por óxidos o hidróxidos de calcio (CaO; Ca(OH)2) con o sin óxidos o hidróxidos de magnesio (MgO; Mg (OH)2) y cantidades menores de óxidos de silicio (SiO2), hierro (Fe2O3) y aluminio (Al203); endurecen al aire por procesos de desecación, cristalización y carbonatación. La calidad de una cal para el uso vial no se valora con los mismos criterios que para su empleo en la construcción civil, sino que se expresa en base a su finura y a su “% de cal útil vial,” “CUV”. Los suelos tratados con cal experimentan una disminución de su plasticidad, de su humedad natural y de su avidez de agua, mejorando sus características para capas de suelos en caminos, tanto más cuanto más fina y pura sea la cal. La C.U.V. se expresa en % de OCa o en % Ca(OH)2. En Argentina, debe cumplir con la Norma IRAM 1626.
Las denominadas “nano-cales” son adiciones de nano partículas de hidróxido de calcio (Ca(OH)2), nano partículas de sílice (SiO2) o de una mezcla de ambos elementos, a las cales. Originalmente fueron concebidas para incrementar la trabajabilidad de morteros de cal. Para ello, en la fase experimental se diseñaron y compararon distintas mezclas teniendo en cuenta el tipo de cal, la granulometría de la arena, así como el tipo de nano partículas y su concentración. En las últimas décadas, los avances han permitido introducir el uso de “nano-cales” para otras finalidades, aunque su empleo aún es limitado. En el ámbito de la estabilización vial, en los procesos de floculación y aglomeración, que duran algunas horas, los iones Ca++ de la cal hidratada migran hacia la superficie de las partículas de arcilla, desplazando al agua. En la etapa de estabilización, proceso que puede durar meses o años, el pH del suelo aumenta, rompiendo las partículas arcillosas. Se liberan la sílice y la alúmina y reaccionan con el Ca formando hidratos de calcio-silicato y calcio-aluminato, productos cementantes que forman una matriz resistente; el suelo pasa a ser una capa dura e impermeable. En ambos casos, la adición de nano compuestos como la nano-sílica (nano-SiO₂) y también el nano-hierro, permitirán mejorar las cualidades de los suelos: las nano partículas de sílice mejoran la densidad de compactación de los suelos, sus propiedades físicas y químicas de los suelos y sus características geotécnicas; las nano partículas de hierro mejoran la resistencia de los suelos y encapsulan el mercurio y el arsénico en suelos contaminados.
La cal hidráulica también se emplea como filler (“llenante”) en mezclas asfálticas para caminos, pero además cumple funciones adherentes entre los agregados y el asfalto y también de resistencia al envejecimiento.
La adhesividad, fenómeno físico-químico de envuelta y de unión entre el material bituminoso y el pétreo, tiene incidencia directa en la cohesión o resistencia a la disgregación de las mezclas asfálticas, afectando la funcionalidad del pavimento. Con el árido en condición húmeda, debido a que tiene mayor avidez de agua que de asfalto, es factible la aparición de un proceso de desenvuelta cuya magnitud dependerá de la naturaleza de los áridos y del ligante, y de la viscosidad de éste último. La fuerza de enlace entre los agregados y el ligante tiende a debilitarse ante la presencia de agua; la adición de cal a las mezclas asfálticas genera la formación de jabones solubles y de sales basadas en calcio insolubles inhibe la atracción de agua al sistema. Además, en el caso de los agregados pétreos con alto contenido de sílice (por ejemplo, los granitos) la cal aporta al ligante una carga eléctrica opuesta a la carga eléctrica de la superficie del árido, mejorando su adhesión con el asfalto y la cohesión del sistema. Los procesos químicos en la interfase árido-ligante en presencia de agua en mezcla con cal provocan que la superficie ácida del árido se vuelva básica, adquiriendo afinidad con los componentes ácidos del asfalto, lo que provoca una adsorción química entre los radicales ácidos del betún y los iones de calcio que recubren la superficie del árido. El empleo de nano compuestos de Oca, formados en rigor por nano partículas de óxido de calcio y polímeros, puede incrementar la compatibilidad superficial.
En lo atinente a la resistencia al envejecimiento, los fílleres cálcicos, como el polvo calizo y el cemento Portland, pero muy especialmente la cal, regulan la oxidación de los asfaltos en las mezclas al optimizar la resistencia al envejecimiento. Adicionalmente, la adición de cal mayora el espesor de película de recubrimiento sobre la superficie de los áridos y provoca un “efecto obstáculo” a la difusión de oxígeno, retardando y/o minimizando los mecanismos del envejecimiento, evitando la rigidización y el deterioro prematuro por fatiga. Tales conceptos son válidos, en general, para ligantes modificados con polímeros, más allá de su naturaleza y características singulares. De todos modos, la cantidad de aportación de cal a las mezclas está acotada por su “concentración crítica”, como lo demostraron Ruiz y Ridgen hace ochenta años, pues un exceso de proporciones rigidiza al conjunto y provoca más perjuicios que beneficios. En tal sentido, el uso de nano-cales podría suplir, al menos parcialmente, tal limitación, adicionando elementos que favorecen la captación de los catalizadores de la oxidación que existen naturalmente en el asfalto y atraen moléculas polares que, de estar libres, interaccionarían con los nuevos productos de la oxidación. Además, la distribución en la mezcla de nano partículas posibilitará una mejora al ya mencionado “efecto obstáculo”.
Nano-cementos y nano-hormigones
En los últimos años se ha investigado y desarrollado el aporte que la Nanotecnología puede significar en la fabricación de cemento, buscándose generar hormigones de alto desempeño.
Ciertas nano partículas, como la nano-sílica ya citada (nSiO2), presentan una alta actividad puzolánica acelerando la formación de C-H-S y el proceso de hidratación. En general, se han utilizado porcentajes bajos de nano partículas (no superiores al 5%) dado que con el incremento en el porcentaje de esta adición se incrementa la demanda de agua, de supe plastificante, la liberación de calor y la aparición de micro fisuras y se disminuye la trabajabilidad, a la vez que aumentan los costos de producción. Otras nano partículas que se han investigado hasta el momento en relación con los materiales cementícios son las de óxidos de titanio, aluminio, hierro, zirconio, zinc y cobre) (nTiO2, nAl2O3, nFe2O3, nZrO2, nZnO2, nCu) y las arcillas procesadas. Del mismo modo que la nSiO2, estos nano materiales aceleran la formación temprana de C-S-H gel e incrementan la resistencia temprana de la matriz cementícia, fortaleciendo la estructura de los poros de la micro estructura de la pasta de cemento, reduciendo el tamaño, el número y las conexiones entre los poros y disminuyendo la permeabilidad de la matriz. De ensayos realizados se deduce que su adición incrementa la resistencia a compresión y a flexión tempranas.
El tamaño de las nano partículas es menor de 100nm; las de menores tamaños utilizadas en los materiales cementícios tienen 15nm. Las cantidades añadidas varían entre el 2% y el 4% en peso. La adición de nTiO2 aporta además el efecto de fotocatálisis convirtiendo los hormigones y morteros en materiales auto limpiables (self cleaning) y neutralizadores de las partículas contaminantes presentes en la atmósfera.
Otro aporte de la Nanotecnología es el nano-clinker, fabricado con nano materiales pulverulentos obtenidos de las materias primas tradicionalmente utilizadas en su fabricación: óxidos de calcio, de silicio, de hierro y de aluminio. En la actualidad, es posible reducir el tamaño medio de los granos de cemento a 200-300nm mediante un método físico-mecánico, por vía húmeda, utilizando perlas esféricas de peróxido de cinc (ZnO2) que se mueven en etanol a 3600 rpm durante 6horas. Esta técnica abre la puerta a la fabricación de materiales de altas prestaciones. Las nano partículas del cemento cambian completamente la hidratación y sugieren una diferente cinética de la reacción, manteniendo una termodinámica similar. La reducción a tamaño nanométrico de los granos de cemento, incrementa drásticamente la reactividad temprana del cemento. El nano cemento obtenido del nano-clinker es un cemento más reactivo químicamente, formado por partículas sólidas multifase de nano cristales con capacidad de modificar la velocidad y el grado de hidratación del cemento, así como la microestructura de la pasta de cemento y, en consecuencia, de mejorar sus propiedades físicas y químicas. La reducción de la temperatura de clinkerización (de 1470° a 1200°) permite una reducción sustancial de la emisión de CO2 y del consumo de energía.
En los estabilizados hidráulicos con cemento, como los suelo-cemento o los estabilizados granulares cementados, la adición de nano partículas a la pasta de cemento mejora las propiedades de los materiales por su mayor reactividad química, consecuencia de su elevada superficie específica para reaccionar a nano escala con las partículas próximas presentes en la pasta de cemento en proceso de hidratación. Su acción es compleja pudiendo destacarse tres acciones principales:
1 Atraen los materiales hidratados que se depositan en su superficie (“centros de nucleación”)
2 Son potentes catalizadores de las reacciones de hidratación
3 Son material ultra fino de relleno de los nano poros que se forman en la pasta de cemento, reduciendo la porosidad capilar de la misma e incrementándose su resistencia a la fisuración, tan común en los estabilizados cementicios, en especial cuando hay un exceso de dotación de cemento y/o un curado deficiente de la capa.
Si bien todavía su uso es limitado, es altamente esperable que los cementos nanotecnológicos sean materiales amigables con el medio ambiente. Se utilizarán en su fabricación fuentes alternativas de energía como la madera, los aceites y pinturas, los fertilizantes, la biomasa, las basuras y otras energías como la solar. A corto plazo, se estima que en la fabricación del clinker se utilizarán, en sustitución de las materias primas tradicionales, puzolanas, humo de sílice y subproductos industriales amorfos (IBP) procedente del reciclado de vertederos utilizando la técnica de la fragmentación electrodinámica.
Nano materiales en asfaltos y mezclas asfálticas
La creciente necesidad de mejorar las propiedades de desempeño de los ligantes en aras de minimizar la incidencia de mecanismos deletéreos, como la deformación permanente, la fatiga, el agrietamiento térmico, la falta de adhesividad, el daño por humedad y el envejecimiento, ha propiciado la investigación y el desarrollo de nano materiales para incorporar a los ligantes asfálticos y a las mezclas bituminosas.
La composición química y las propiedades físicas de cada nano material provocan efectos sobre el asfalto y sobre las mezclas; además, las formas de modificación del ligante o de incorporación a la mezcla asfáltica son variables de acuerdo a la naturaleza del nano elemento y del asfalto.
Nano compuestos modificadores del asfalto
Se expondrán experiencias en asfaltos con adición de nano compuestos de carbono (nanotubos y nano fibras de carbono), nano-arcillas y nano-sílica.
Los nanotubos de carbono son formaciones generadas artificialmente a partir de síntesis mediante ciertos procedimientos químicos. Son láminas de grafeno (una de las formas químicas que adquiere el carbono) que se han cerrado de forma cilíndrica como si fueran tallos de bambú muy diminutos y pueden contener una o varias paredes. Los nanotubos no miden más de 100 nm (los virus llegan a 50 nm y las proteínas y el ADN a 1 nm) y son altamente resistentes, casi 100 veces más que el acero. Los nanotubos se adhieren a los compuestos del asfalto, evitando que se separen y se desgasten, y actúan como resortes, permitiendo que el asfalto se estire sin romperse.
De la síntesis del carbono pueden salir como productos, además de los nanotubos, las nano fibras y las nano hebras que dependerán del número de paredes que tengan a nivel nanoscópico, e incluso tener la forma de una dona. Estos materiales serán más resistentes cuanta más cantidad de paredes los conformen.
Para la síntesis de los nanotubos de carbono se realiza un procedimiento llamado deposición catalítica: a través de un catalizador (material que sirve de medio para obtener otro) se logra la producción del nano material; por ejemplo, óxidos metálicos del cobre, níquel y aluminio. Ese catalizador se calcina y se dispone dentro de un tubo de cuarzo al cual se le aplica gas metano; al pasar este gas caliente se genera una combustión y se van formando los nanotubos, que crecen a partir del níquel, al cual se adhieren, mientras que los otros dos metales ayudan a la combustión y se consumen, quedando finalmente algunas impurezas que se pueden o no eliminar.
Cuando el ligante se modifica con una de las mejores combinaciones de nanotubos, la mezcla asfáltica puede llegar a ser cinco veces menos deformable que una mezcla convencional. La modificación con tal nano compuesto permite obtener un asfalto apto para producir mezclas de alto módulo a partir de un asfalto de dureza media. Respecto de la fatiga, con una adición del 2% se logra el doble de vida útil del pavimento. Estas ventajas resultan notables pues se llegan a números similares a los de otros tipos de asfaltos modificados.
Un trabajo de Costa Rica evalúa el efecto de la incorporación de dos nano materiales (nano sílica y nano tubos de carbono de doble capa) a la matriz de un ligante asfáltico clasificado como PG64-22 (cuyo desempeño es apto para temperaturas desde +64°C hasta -22°C). Se emplearon técnicas de caracterización superficial de índole físico-química (morfológicas, reológicas y de termo análisis), tales como Calorimetría de Barrido Diferencial (DSC), Análisis Termogravimétrico (TGA), análisis espectroscópicos Infrarrojos FTIR y Microscopía de Fuerza Atómica AFM. Dichos métodos de ensayo proporcionan información física y química que permite inferir sobre las condiciones del proceso de modificación. Para los aditivos analizados, un aumento en la concentración de nano material en el asfalto produce una mejora en la resistencia a la deformación permanente; sin embargo, en algunos casos de asfalto modificado con nanotubos de carbono se afectó negativamente la resistencia a fatiga. Se determinó por otra parte que la adición de 3.0% de nano-sílice mejora tanto la resistencia a la deformación permanente como la resistencia a fatiga. Los estudios concluyen que se puede llegar a modificar el asfalto hasta alcanzar propiedades deseadas mediante la incorporación de nano materiales; no obstante, es fundamental conocer en detalle las características y el comportamiento del asfalto y sus modificantes para poder entonces producir las transformaciones en la estructura del modificante y mejorar las propiedades del asfalto para cumplir los requisitos del proyecto.
La modificación de asfaltos con nano-arcillas también posibilita optimizar una serie de propiedades deseables, como la resistencia a la fatiga, a las deformaciones y al envejecimiento.
Se materializa la incorporación utilizando agitadores de hasta 4000 revoluciones por minuto, con tiempos de dispersión de aproximadamente 1,5 horas.
En casos estudiados, mientras las mezclas convencionales elaboradas con asfalto convencional no suelen cumplir con los criterios requeridos para carreteras con tráfico pesado y lento, las mezclas con ligante modificado con nano-arcilla satisfacen ampliamente las exigencias, es decir, podrían utilizarse en carreteras de tráfico pesado y en vías urbanas en las zonas de semáforos y en los carriles exclusivos para autobuses. Esta mejora de rendimiento se debe a que la nano-arcilla se incorpora a la estructura del asfalto y modifica su comportamiento reológico, produciendo un aumento de deformaciones elásticas en detrimento de las viscosas, haciéndola a la mezcla asfáltica más resistente a las deformaciones.
Un estudio de Morea y Pique evaluó la incorporación de nano-sílica a un asfalto convencional comercial, analizando los cambios acaecidos en las propiedades tradicionales del ligante y en parámetros reológicos, como el grado de desempeño y otras propiedades relacionadas con el rendimiento del asfalto como Low Shear Viscosity (LSV), Multiple Stress Creep Recovery (MSCR) y ensayos de fatiga, entre otros. Además, se realizaron ensayos de desempeño (ahuellamiento, fractura, daño por humedad) en mezclas elaboradas con estos asfaltos modificados. Se concluyó que la nano-sílica mejora la viscosidad y el punto de ablandamiento y también el PG a temperaturas bajas e intermedias. Los
asfaltos modificados con nano-sílica mostraron deformaciones permanentes más bajas
en la prueba de MSCR y mejor comportamiento de fatiga.
Nano compuestos para incorporar a mezclas asfálticas y a estabilizados bituminosos
Se está estudiando la incorporación de nano materiales fotocatalíticamente activos en las mezclas asfálticas para pavimentos a fin de reducir los gases de combustión generados por los vehículos. Estos gases se denominan genéricamente “NOx”, referenciando así a aquellos que contienen nitrógeno y oxígeno en diversas proporciones, y “COVs”, compuestos orgánicos volátiles que contienen carbono. Se ha develado que el dióxido de titanio (TiO2), nano material empleado como fotocatalizador, producto limpio, fotoestable y sin repercusión negativa sobre el medio ambiente, aplicado a la mezcla o aglomerado asfáltico, permite eliminar óxidos de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles de la combustión de los vehículos.
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