Innovación en la industria de la construcción:

el óxido de grafeno como coadyuvante para mejorar la resistencia y durabilidad del pavimento

El concreto, debido a su eficiencia de producción, abundantes fuentes de materia prima, trabajabilidad y versatilidad, es un material ampliamente utilizado en la industria de la construcción; entre sus numerosas aplicaciones están los pavimentos rígidos para carreteras, aeropuertos, pisos industriales y puentes, sin embargo, y pese a su excelente resistencia a la compresión, el concreto presenta limitantes como baja resistencia a la tracción y flexión que, aunado a factores como sobrecargas o condiciones ambientales, suele desarrollar fallas como agrietamiento, perforaciones, desprendimiento o erosiones que invariablemente requerirán reparación. Por lo tanto, mejorar su calidad además de aumentar su vida útil y de reducir riesgos, también permite disminuir o espaciar los trabajos de mantenimiento y, en consecuencia, evita el paro de operaciones o de cierres carreteros representando a su vez, ahorros económicos importantes.

Además de calidad y economía, otro de los objetivos de la industria de la construcción es disminuir la huella de carbono, teniendo como referencia que el principal aglomerante del concreto es el cemento y que, por cada tonelada de cemento fabricado, se libera 1 tonelada de CO₂ a la atmósfera. Es por ello que constantemente se está en busca de tecnologías y/o materiales que mejoren o igualen el desempeño del concreto, en principio utilizando menor contenido de cemento mediante el uso de sustitutos de cemento como micropartículas minerales producto de desecho industrial p. ej., ceniza volante, escoria de alto horno o humo de sílice; refuerzos con fibras de acero, sintéticas o de vidrio; resinas y materiales reciclados como el hule de llanta, polipropileno, PET o el mismo concreto reciclado, así como una gran variedad de aditivos base lignosulfonato, naftaleno sulfonato, melamina o policarboxilatos para dar funciones plastificantes, reductoras de agua, acelerantes o retardantes de fraguado, entre otras. Una valiosa herramienta para agregar valor en la triada: calidad, economía y medioambiente, es la nanotecnología, partiendo de la premisa de que el cemento en su mayoría está constituido por nano cristales de C-S-H, responsables de las propiedades cohesivas, de endurecimiento y, en definitiva, de su resistencia mecánica. Esto significa que, manipular y modificar la estructura del cemento desde su nivel nano, conlleva beneficios en el nivel macro, es decir en el concreto como producto terminado.

A lo largo de los últimos diez años de investigación y aplicación de la nanotecnología en la construcción, apareció en escena el Óxido de grafeno (GO), una nanopartícula de carbono derivada del grafito con excelentes propiedades mecánicas, térmicas y de barrera; su buena dispersión en agua y gran afinidad por las nanopartículas del cemento ha demostrado atributos interesantes para acelerar la hidratación del cemento, aumentar la producción de nanocristales de C-S-H y reducir los poros del cemento que, en conjunto, representan beneficios importantes en resistencia, durabilidad y variedad de aplicaciones en infraestructura. Asimismo, se ha demostrado que la fabricación de fibras poliméricas para concreto modificadas con GO contribuye a mejorar significativamente su resistencia a la tensión, impacto, y abrasión, retrasa su deterioro por corrosión o radiación UV y lo vuelve más estable térmicamente, reduce los agrietamientos, entre otros beneficios. Derivado del gran potencial de este nanomaterial para la industria de la construcción, en 2022 la revista Sustainability utilizó la base de datos Web of Science (WoS) para realizar un análisis sobre las investigaciones generadas en el periodo 2010- 2022 respecto al uso de óxido de grafeno en compuestos de cemento. En dicho estudio se identificaron un total de 608 publicaciones relacionadas con resistencia mecánica, durabilidad, conductividad térmica, entre otras, pero solo menos de 10 revistas hicieron referencia a los beneficios integrales que el GO ofrece a los pavimentos rígidos, ya sea de manera individual o como refuerzo tridimensional mediante el uso de fibras poliméricas, lo cual representa una aplicación poco explorada, pero con grandes áreas de oportunidad.

Energeia – Graphenemex®, la empresa mexicana líder en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, a través de su línea de productos Graphenergy construcción® en 2018 colocó por primera vez en el mercado un aditivo para concreto con óxido de grafeno que contribuye a mejorar la microestructura de los conglomerados base cemento desde sus etapas iniciales; posteriormente, en 2020 y gracias a su amplia experiencia en el manejo de nanocompositos, desarrolló una nueva generación de macrofibras poliméricas con nanorelleno grafénico. Los beneficios que el GO ofrece a nivel nano y micrométrico han sido evaluados en laboratorio y en campo sobre macro diseños de concreto, obteniendo excelentes resultados en cuanto a trabajabilidad, densidad, impermeabilidad, disipación de calor, fraguado, apariencia y con equilibradas aportaciones mecánicas de resistencia a la compresión, tensión, flexibilidad y abrasión que en conjunto complementan las necesidades  económicas, ambientales y de calidad de los pavimentos rígidos, entre muchas otras estructuras base cemento. Su uso es muy sencillo y no requiere equipos ni procesos adicionales a los que regularmente se utilizan en la construcción, además de que permite ajustes en su manipulación, dosificación y uso en conjunto con otros aditivos para mejorar su desempeño.

Redacción: EF/DHS

Referencias

1. Houxuan Li, et al., Recent progress of cement-based materials modified by graphene and its derivatives. Materials 2023, 16, 3783. 2. I. Fonseka, et al., Producing sustainable rigid pavements with the addition of graphene oxide. 2023; 3. Byoung Hooi Cho., Concrete composites reinforced with graphene oxide nanoflake (GONF) and steel fiber for application in rigid pavement. Case Stud. Constr. Mater. 2022; 17: e01346; 4. Kiran K. Khot, Experimental study on rigid pavement by using nano concrete. Int Res J Eng Techno, 2021; 08: 07,4865; 5. Jayasooriya, D. et al., Application of graphene-based nanomaterials as a reinforcement to concrete pavements. Sustainability 2022, 14, 11282; 6. Sen Du, et al., Effect of admixing graphene oxide on abrasión resistance of ordinary portland cement concrete. AIP Advances. 2019; 9: 105110; 7. D. Mohottia, et al., Abrasion and Strength of high percentage Graphene Oxide (GO) Incorporated Concrete. J. Struct. Eng. 2022; 21: 1; 8. Fayyad, T., Abdalqader, A., & Sonebi, M. An insight into graphene as an additive for the use in concrete. In Civil Engineering Research Association of Ireland Conference 2022 (CERAI 2022): Proceedings (CERAI Proceedings).

Superando Retos en Construcción:

Aditivo de Grafeno para Minimizar Agrietamiento Térmico 

En el concreto los agentes aglutinantes son principalmente una combinación de materiales puzolánicos y cemento que, durante el proceso de hidratación libera calor acompañado de cambios volumétricos. Este fenómeno en presencia de elementos con baja disipación térmica evita que el calor se difunda eficientemente dando como resultado un gradiente de temperatura entre la superficie exterior y el núcleo interior. Es decir, la temperatura en la superficie de la mezcla suele enfriarse con mayor velocidad, pero en su interior dicha temperatura aumenta gradualmente. Esta falta de uniformidad en la distribución del calor puede generar grandes tensiones de tracción responsables del conocido agrietamiento térmico del concreto.

Entre las estrategias actuales para reducir dichas tensiones térmicas están la colocación de tuberías de enfriamiento, uso de cemento Portland de bajo calor, materiales de cambio de fase, fibras poliméricas o el aislamiento de la superficie. Sin embargo, poco se atiende mejorar la propagación del calor en el propio cemento. En este sentido y al ser el cemento un material nanoestructurado por el contenido de nanopartículas de C-S-H, no es raro que la nanoescala sea una de las tendencias más innovadoras de la ingeniería civil moderna, pues está comprobado que la mayoría de las afectaciones del concreto como es el caso del agrietamiento térmico, tienen origen en distintos factores químicos y mecánicos de la estructura del cemento, el principal aglutinante del concreto.

El óxido de grafeno (GO) es una versión oxidada del Grafeno, el nanomaterial que, a lo largo de la última década, ha sido el centro de atención de numerosas industrias, incluida la industria de la construcción. Ambas nanoestructuras son una única lámina de átomos de carbono densamente organizados que  otorgan numerosas propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, entre otras.

El GO a diferencia del Grafeno, contiene una gran cantidad de grupos oxigenados del tipo epóxido (C-O-C), hidroxilo (-OH) y carboxilo (-COOH) que lo convierten, por un lado, en un material fácilmente dispersable en agua y por otro, le dan la capacidad de interactuar con las nanopartículas C-S-H del cemento para transferir sus propiedades y mejorar su desempeño y durabilidad desde la micro y nano escala.

Conductividad térmica

La conductividad térmica del GO dependiendo del grado de oxidación puede alcanzar los 670 W/ (m K), mientras que la conductividad del cobre y el aluminio es de aproximadamente 384 y 180 W/ (m K), respectivamente. Esto significa que, el GO puede conducir el calor de manera más eficiente que los metales; no obstante, transferir esta propiedad a otros materiales, no es tarea sencilla, para ello es importante vencer tres retos principales:

i) Tener amplio conocimiento científico de los materiales grafénicos, de ser posible, desde su síntesis o producción,

ii) Controlar la calidad en el diseño de la mezcla y,

iii) Tener una visión integral, tanto técnica como científica para el uso adecuado y distribución de las nanopartículas de GO con el cemento para lograr los objetivos planteados.

Graphenergy Construcción® es un aditivo multipropósito base agua con una fórmula especializada a partir de Óxido de grafeno que favorece el proceso de hidratación del cemento no solo actuando como promotor para la formación de una red de cristales de C-S-H responsables de la densificación y resistencia del concreto, sino que también mejora la conductividad térmica durante su hidratación y fraguado.

Durante la hidratación del cemento ocurre una reacción exotérmica, es decir, se libera calor que es también acompañado por cambios de volumen. Cuando este calor no se disipa eficientemente se pueden generar grandes tensiones de tracción responsables del conocido agrietamiento térmico del concreto.

La mencionada red cristalina de la estructura del GO le permite disipar con gran eficiencia la temperatura e incluso soportar intensas corrientes eléctricas sin calentarse.

En el caso particular de las mezclas de concreto en estado fresco, Graphenergy Construcción® promueve una distribución de calor más homogénea, minimizando el gradiente de temperatura y cambios volumétricos, por lo tanto, reduce la probabilidad de fisuración térmica.

En el caso del concreto endurecido y pese a que es un material aislante, cuando se expone a temperaturas cercanas a los 400°C se pone en riesgo significativamente su resistencia mecánica. El uso de Graphenergy Construcción® reduce este riesgo, ya que se ha probado que con su aplicación se genera una diferencia de temperatura 70% inferior al parámetro requerido por la prueba entre la superficie expuesta y la no expuesta al fuego.

Por lo tanto, la aportación de la nanored del GO presente en Graphenergy Construcción® ayuda a distribuir homogéneamente la temperatura de hidratación y fraguado, reduce el riesgo de agrietamiento térmico, aumenta la resistencia del concreto a altas temperaturas y, finalmente, ofrece una excelente opción sustentable para el ahorro energético particularmente para aquellas construcciones cuya localización geográfica obliga al uso de equipos de climatización, logrando reducciones de temperatura de hasta 3 °C en el interior de las edificaciones.

Redacción: EF/DHS

Referencias

1. Tanvir S., et al. Nano reinforced cement paste composite with functionalized graphene and pristine graphene nanoplatelets. Compos. B. Eng. 2020; 197: 15, 108063,
2. Dong Lu., et al. Nano-engineering the interfacial transition zone in cement composites with graphene oxide. Constr. Build. Mater. 2022; 356: 129284,
3. Peng Zhang., et al. A review on properties of cement-based composites doped with Graphene. J. Build. Eng. 2023: 70, 106367,
4. WANG Qin et al., Research progress on the effect of graphene oxide on the properties of cement-based composites. New Carbon Mater. 2021; 36: 4,
5. Junjie Chen, Effect of oxidation degree on the thermal properties of graphene oxide. j mater rest technol. 2020; 9:13740,
6. Karthik Chintalapudi. The effects of Graphene Oxide addition on hydration process, crystal shapes, and microstructural transformation of Ordinary Portland Cement. J. Build. Eng. 2020; 32, 101551,
7. Guojian Jing et al., Introducing reduced graphene oxide to enhance the thermal properties of cement composites. Cem Concr Compos. 2020; 109, 103559,
8. Jinwoo An et al., Edge-oxidized graphene oxide (EOGO) in cement composites: Cement hydration and microstructure. Compos. B. Eng. 2019; 173, 106795

El impacto del grafeno

en el fraguado y la resistencia del concreto

Los aditivos acelerantes de fraguado para las estructuras base cemento suelen utilizarse cuando se requiere alcanzar las resistencias deseadas en menor tiempo, ya sea para mantener una producción continua o bien, cuando el producto necesite entrar en funcionamiento de manera inmediata. Sin embargo, la gran cantidad de variables que interfieren en este proceso dificulta anticipar con precisión el aceleramiento que podrá obtenerse con cada nuevo aditivo; sin olvidar la importancia de controlar la reacción exotérmica o de liberación de calor que ocurre durante el fraguado o curado del cemento para evitar la aparición fisuras térmicas en el producto final.

Para comprender parte de las reacciones que ocurren durante el fraguado del cemento es importante conocer un poco sobre su composición, por ejemplo: alrededor del 75% está conformado por silicato tricálcico y silicato dicálcico que, al reaccionar con el agua forman hidróxido de calcio y silicato cálcico hidratado (C-S-H), siendo este último un componente nanométrico y a la vez, el elemento más importante, puesto que de él depende el fraguado, endurecimiento, resistencia y estabilidad dimensional del cemento.

En artículos anteriores se ha hablado de la interesante interacción de las nanopartículas de C-S-H con las nanopartículas de óxido de grafeno (GO), otra estructura nanométrica compuesta por átomos de carbono y grupos oxigenados que ha captado la atención de la industria de la construcción gracias a sus beneficios durante en la hidratación del cemento y en el impacto directo que tiene para mejorar su resistencia mecánica y durabilidad, pero también sobre su interesante participación como acelerante de fraguado principalmente para concretos aligerados poliméricos.

“El GO actúa como un agente catalizador durante la reacción de hidratación del cemento”

La presencia de grupos oxigenados en la superficie del GO le permiteabsorber moléculas de agua y cemento para estabilizar, por un lado, los átomos en el C-S-H al proporcionar sitios de oxígeno para las cadenas de silicato y por otro, para actuar como un depósito de agua y canales de transporte para mejorar la hidratación del cemento.

Además, la excelente compatibilidad del GO con distintos tipos de resinas lo ha vuelto el candidato perfecto para el reforzamiento de concretos del tipo polimérico que, si bien no contienen una fase importante de cemento hidratado, el cemento portland suele utilizarse como material de relleno y, por lo tanto, le da al GO una mayor matriz para transferir sus propiedades.

Graphenergy construcción® es un aditivo multipropósito base agua con una fórmula especializada a partir de Óxido de grafeno que contribuye a mejorar la microestructura de cualquier producto base cemento ofreciendo los siguientes beneficios durante el proceso de fraguado:

Fraguado: Aceleración del tiempo de fraguado de hasta el 30%.

Secado: Ayuda a un secado uniforme con menor presencia de marcas o lunares de humedad. 

Incremento de resistencia durante el desmolde de prefabricados: Mayor integridad de las estructuras, mejor definición de ángulos e importante reducción del 20 a 30% en merma por fractura de producto.

Resistencia a cambios térmicos: la buena conductividad térmica de su formulación promueve una distribución de calor más homogénea durante la hidratación del cemento y, por lo tanto, contribuye a reducir la aparición de grietas térmicas y reduce las fracturas del producto en climas fríos.

Buena integración con otros aditivos o componentes de las mezclas de concreto.  Favorece la trabajabilidad de las mezclas.

Redacción: EF/DHS

Fuentes

1. Ultrahigh Performance Nanoengineered Graphene- Concrete Composites for Multifunctional Applications. Adv. Funct. Mater. 2018; 28: 1705183;
2. The role of graphene/graphene oxide in cement hydration. Nanotechnology Reviews. 2021;10(1): 768;
3. Experimental study of the effects of graphene nanoplatelets on microstructure and compressive properties of concrete under chloride ion corrosión. Construction and Building Materials, 2022; 360, 129564;
4. Effect Of On Graphene Oxide the Concrete Resistance to Chloride Ion Permeability. IOP Conf. Ser. 2018: Mater. Sci. Eng. 394 032020;
5. Effects of graphene oxide on early-age hydration and electrical resistivity of Portland cement paste. Constr Build Mater. 2017; 136, 506;
6. Recent progress on graphene oxide for next-generation concrete: Characterizations, applications and challenges. “J. Build. Eng. 2023; 69, 106192;
7. Graphene nanoplatelet reinforced concrete for self-sensing structures – A lifecycle assessment perspective. J. Clean. Prod. 2019; 240, 118202;
8. Graphene opens pathways to a carbon-neutral cement industry. Science Bulletin. 2021; 67;
9. Reinforcing Effects of Graphene Oxide on Portland Cement Paste. J. Mater. Civ. Eng. 2014; A4014010-1;
10. A review on the properties, reinforcing effects, and commercialization of nanomaterials for cement-based materials. Nanotechnology Reviews, 2020; 9: 303–322, 10;
11. Permeabilidad a los cloruros del hormigón armado situado en ambiente marino sumergido. Revista Ingeniería de Construcción. 2007; 22: 1, 15;
12. Penetrabilidad del hormigón al agua y a los iones agresivos como factor determinante de su durabilidad. Materiales de Construcción, 1973; 23: 150;
13. La resistividad eléctrica como parámetro de control del hormigón y de su durabilidad. Revista ALCONPAT, 2011; 1(2),90;
14. Portland cement blended with nanoparticles. Dyna, 2007; 74:152, 277;
15. Improvement in concrete resistance against water and chloride ingress by adding graphene nanoplatelet. Cem concr res, 2016; 83: 114;
16. Catalytic behavior of graphene oxide for cement hydration process. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2016; 89: 128.
17. Review on Graphene oxide composites. Int. J nanomater nanostructures. 2016; 24.

La revolución del grafeno en la construcción:

hacia estructuras más resistentes y duraderas 

“La prueba de resistencia a la compresión suele ser el parámetro más utilizado como indicador de calidad del concreto; sin embargo, su valor no determina por sí solo su durabilidad, es decir, además de la resistencia mecánica, la permeabilidad y la resistencia química también influyen en su vida útil”

La permeabilidad del concreto se entiende como el paso de agua y de iones agresivos a través de los capilares existentes entre los áridos y la pasta de cemento; este es un fenómeno complejo y depende sobre todo de la estructura atómica de los iones que penetran. Una de las sustancias más dañinas para el concreto son los iones cloruro, estos pueden estar presentes desde el inicio en la mezcla fresca, es decir, disueltos en los agregados, aditivos o en el agua, o bien, permear desde el exterior, siendo este caso el que expone mayor riesgo de corrosión. Aunque en general se puede decir que, la durabilidad del concreto ante los agentes atmosféricos depende fundamentalmente de la permeabilidad al agua, mientras que la durabilidad respecto a las sales agresivas, tanto para el concreto como para las armaduras depende de su resistencia al ingreso de cloruros por distintas vías.

“La penetrabilidad de los cloruros se manifiesta principalmente por la difusión de los iones en el concreto, mejor que por la penetración de toda la disolución en las muestras. Es decir, la penetración de los cloruros no depende únicamente de la permeabilidad del agua”

Para proteger al concreto contra la corrosión existen dos tipos principales de productos, por un lado, están los aditivos para las mezclas en concreto fresco cuya función es actuar sobre la superficie metálica anulando la reacción anódica, catódica o ambas y por otro, están los recubrimientos para la protección del concreto endurecido. No obstante, cualquiera que sea el producto utilizado, la protección anticorrosiva suele ser temporal, sobre todo cuando las estructuras se encuentran sujetas a movimientos, cargas o temperaturas que pudiesen afectar el desempeño de la protección o barrera colocada.

En el artículo anterior titulado Hacia una construcción sostenible se habló sobre la importancia del componente nanométrico clave en la resistencia del cemento, conocido como silicatos cálcicos hidratados (C-S-H) o gel de tobermorita y de su interesante interacción con las nanopartículas de óxido de grafeno (GO), una estructura nanométrica derivada del grafito y de reciente interés para el desarrollo de estructuras más resistentes, durables y amigables con el medio ambiente.

El GO está formado por láminas nanométricas de átomos de carbono enlazados en un patrón hexagonal y por una serie de grupos oxigenados anclados a su superficie que le facilita su dispersión en agua y combinarse otros materiales, por ejemplo, con las nanopartículas presentes en el cemento (C-S-H).

A este respecto, estudios internacionales demuestran que la forma y química superficial del GO, le permite actuar como una plataforma para acelerar la hidratación del cemento y promover la creación de grandes cantidades de partículas C-S-H, a partir de la formación de un nuevo enlace GO/ C-S-H.  Esta fuerte interacción da lugar a una red más densa de cristales de cemento entrelazados que, además de favorecer las propiedades mecánicas de las estructuras, también actúa como una barrera contra la infiltración de agua a través de los poros capilares, pero con un efecto que proyecta tener mayor duración que los aditivos actualmente disponibles. Esta propiedad es extremadamente importante para la durabilidad del concreto y, en particular, para la prevención de la reacción álcali-sílice (ASR), una reacción de expansión que ocurre en presencia de humedad entre la pasta de cemento alcalina y la sílice amorfa reactiva causando agrietamientos.

Resistividad eléctrica y la velocidad de corrosión

Otra importante prueba para el concreto es la resistividad eléctrica y se define como la resistencia de un material al paso de cargas eléctricas; su medición en concreto es una prueba común para identificar la presencia de humedad, así como para predecir el periodo de iniciación de corrosión en el concreto armado basándose en la relación inversa entre la resistividad eléctrica y la difusividad de los iones. Esto es, a mayor resistividad menor movimiento de cargas eléctricas causada por una menor porosidad. La participación de las nanopartículas de óxido grafeno en esta propiedad también ha sido evaluada en distintos estudios que confirman que la interacción GO/C-S-H produce un concreto más compacto o menos poroso que, además de reducir la permeabilidad del agua y de iones, también limita el movimiento de cargas eléctricas brindando mayor protección anticorrosiva de las estructuras metálicas del concreto.

Energeia Fusion (Graphenemex®), la empresa mexicana líder en América Latina en la investigación y producción de materiales grafénicos, desde hace más de 10 años se dio la tarea de materializar con fundamento científico los beneficios del grafeno para convertirlo en aplicaciones reales. Fue así como después de un largo camino de investigación y con resultados equiparables a los reportados por diversos estudios internacionales respecto al uso del óxido de grafeno en distintos productos, entre ellos el concreto, en 2018 logró lanzar 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, como:

1. Remodelación de la microestructura de la pasta de cemento con mejor enlace interfacial GO/C-S-H,
2. Mejor compacidad del cemento,
3. Menor movimiento de cargas eléctricas;
4. Disminución en el proceso de extensión de grietas,
5. Reducciones significativas en el índice de dirección del hidróxido de calcio,
6. Mayor resistencia mecánica al mejorar su microestructura,
7. Mayor durabilidad de las estructuras por mejoras en impermeabilidad, resistencia a la penetración de cloruros y reducción de la profundidad de penetración.

Es importante recordar que, los efectos mencionados pueden variar ya que además del tipo de grafeno u óxido de grafeno utilizado, las propiedades finales de las estructuras base cemento también dependen de factores como la relación agua- cemento, grado de compactación de la mezcla; las características del cemento, agregados, aditivos, entre otros, pero que con un adecuado manejo y seguimiento de los aditivos grafénicos los resultados pueden llegar a ser muy interesantes.

Redacción: EF/DHS

Fuentes

1. Ultrahigh Performance Nanoengineered Graphene- Concrete Composites for Multifunctional Applications. Adv. Funct. Mater. 2018; 28: 1705183;
2. The role of graphene/graphene oxide in cement hydration. Nanotechnology Reviews. 2021;10(1): 768;
3. Experimental study of the effects of graphene nanoplatelets on microstructure and compressive properties of concrete under chloride ion corrosión. Construction and Building Materials, 2022; 360, 129564;
4. Effect Of On Graphene Oxide the Concrete Resistance to Chloride Ion Permeability. IOP Conf. Ser. 2018: Mater. Sci. Eng. 394 032020;
5. Effects of graphene oxide on early-age hydration and electrical resistivity of Portland cement paste. Constr Build Mater. 2017; 136, 506;
6. Recent progress on graphene oxide for next-generation concrete: Characterizations, applications and challenges. “J. Build. Eng. 2023; 69, 106192;
7. Graphene nanoplatelet reinforced concrete for self-sensing structures – A lifecycle assessment perspective. J. Clean. Prod. 2019; 240, 118202;
8. Graphene opens pathways to a carbon-neutral cement industry. Science Bulletin. 2021; 67;
9. Reinforcing Effects of Graphene Oxide on Portland Cement Paste. J. Mater. Civ. Eng. 2014; A4014010-1;
10. A review on the properties, reinforcing effects, and commercialization of nanomaterials for cement-based materials. Nanotechnology Reviews 2020; 9: 303–322, 10;
11. Permeabilidad a los cloruros del hormigón armado situado en ambiente marino sumergido. Revista Ingeniería de Construcción. 2007; 22: 1, 15;
12. Penetrabilidad del hormigón al agua y a los iones agresivos como factor determinante de su durabilidad. Materiales de Construcción, 1973; 23: 150;
13. La resistividad eléctrica como parámetro de control del hormigón y de su durabilidad. Revista ALCONPAT, 2011; 1(2),90;
14. Portland cement blended with nanoparticles. Dyna, 2007; 74:152, 277;
15. Improvement in concrete resistance against water and chloride ingress by adding graphene nanoplatelet. Cem concr res, 2016; 83: 114

El aditivo grafénico para concreto:

un revolucionario aislante térmico en la construcción

En los últimos años, la industria de la construcción ha intentado mejorar las propiedades del mortero y el concreto, para incrementar su durabilidad, especialmente en estructuras expuestas a ambientes agresivos o extremos. Entre las propiedades que se buscan mejorar, es la resistencia a la compresión, la resistencia a la tensión por compresión, así como disminuir el agrietamiento. Con el aumento de volumen de concreto en los proyectos de ingeniería civil, se ha prestado mas atención a las grietas térmicas que se producen. La experimentación ha demostrado que durante el proceso de hidratación del mortero y/o concreto se genera calor, debido a las reacciones exotérmicas que se producen. Una mala disipación de calor provoca un gradiente entre el interior de la masa y su superficie, lo que genera tensiones internas y puede llegar a provocar un craqueó o agrietamiento térmico en el concreto.

Hoy en día, el óxido de grafeno (GO), un material precursor del grafeno ha atraído mucha atención debido a que es un material aislante, de baja propiedad térmica y posee extraordinarias propiedades mecánicas. El GO posee una gran área superficial (2600 m²/g) y la presencia de grupos oxigenados le confiere propiedades únicas que hace que se disperse fácilmente en agua, lo que lo convierte en un nanomaterial ideal para el desarrollo de aditivos para el concreto.

Aunque las propiedades mecánicas de los compuestos y estructuras a base de cemento son importantes en la infraestructura de los edificios, la propiedad de aislamiento térmico es muy importante para reducir el consumo de energía para la climatización y calefacción en los edificios. Por lo tanto, el GO es un buen candidato debido a sus propiedades de baja conductividad térmica. La conductividad térmica, se define como la capacidad de un material para transferir el calor. Es el fenómeno por el cual se propaga el calor de zonas de alta temperatura (más calientes) hacia zonas más frías dentro del material.  Para el caso del GO, la presencia de huecos y grupos funcionales en la superficie del GO provocan una tensión o inestabilidad local, lo que resulta en una reducción de la conductividad térmica de hasta de 2 a 3 órdenes de magnitud (<100 W/m-K). En el GO, la propagación de flujo de calor se produce en las regiones vacantes (huecos) y en los grupos funcionales oxigenados de la superficie del GO (Figura 1). Cuando un flujo de calor intenta atravesar el GO por algún defecto o vacante, el flujo de calor no solo se propaga fuera del plano, sino que también perturba el flujo de calor alrededor del hueco del plano basal.

Recientes investigaciones han reportado, la mejora de las propiedades de aislamiento térmico de materiales compuestos a base de cemento mediante la adición de diferentes concentraciones de GO, así como el efecto de esté en el incremento de la resistencia a la compresión y mayor impermeabilidad de iones cloruro y agua en el concreto. La incorporación de GO disminuyó la microfisuración, la porosidad del material (disminuye el volumen de poros) y mejora la compactación. Las láminas de GO se convierten en una barrera para la propagación de las grietas, lo que mejora las propiedades mecánicas. La resistencia a la compresión de los especímenes de los compuestos con concentraciones de GO de 0,05 % en peso aumentó hasta en un 18,7% y un 13,7% a una edad de curado de 7 y 28 días, respectivamente.   En el caso de las evaluaciones de las propiedades térmicas de los compuestos, la conductividad térmica fue de 0.578 W/m K para el espécimen sin GO (control) y 0.490 W/m K para el compuesto con 0.1 % en peso de GO, mientras que los valores de difusividad térmica oscilan entre 0.38× 10-6 y 0.33× 10^-6 m²/s (Figura 2). La conductividad térmica disminuye con el aumento del contenido de GO debido a la baja conductividad o el excelente efecto aislante de las láminas de GO y buenas interacciones entre mortero y las láminas de GO. Generalmente, el material con valores de conductividad térmica inferiores a 0.250 W/m K se conoce como un aislante térmico. Por lo tanto, el aislante térmico del mortero es mejorado en los compuestos con la incorporación de GO.

Energeia -Graphenemex® desarrolló y tiene a la venta, un aditivo para concreto con óxido de grafeno (Graphenergy). Un aditivo nanotecnológico que permite mejorar la resistencia mecánica, la impermeabilidad y provee un efecto antimicrobiano a cualquier material a base de cemento. El aditivo también puede conseguir reducir el número final de poros del producto fraguado, lo que se traduce en un producto más compacto y de mayor impermeabilidad al paso de agua, mejorando la protección contra la corrosión de las almas de acero en el concreto.

La propiedad de aislamiento térmico del aditivo puede lograr una reducción de la temperatura de estructuras, infraestructura o edificios a base de concretos en una temperatura más agradable en el interior (hasta de 3 °C), reduciendo el consumo de energía para la climatización y/o calefacción en los edificios.

Referencias

1. Janjaroen, Khammahong. The Mechanical and Thermal Properties of Cement CAST Mortar/Graphene Oxide Composites MaterialsInt J Concr Struct Mater (2022).
2. Yi Yang, Jing Cao y col.Thermal Conductivity of Defective Graphene Oxide: A Molecular Dynamic Study. Molecules 2019, 24, 1103.
3. Guojian Jing, Zhengmao Ye y col. Introducing reduced graphene oxide to enhance the thermal properties of cement composites. Cement and Concrete Composites 109 (2020) 103559.