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.