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Tecnología y Sociedad

Fortaleciendo el Cemento que se Desintegra

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Nano partículas podrían evitar que los edificios y los puentes sufran daño estructurtal serio.

  • por Jennifer Chu | traducido por Claudia Taurel
  • 09 Febrero, 2009

Para los profesionales cuyos trabajos es el de evaluar infraestructura, resulta claro que el sistema vasto de caminos y puentes del país se encuentra en urgente necesidad de reparación. En el año 2007, oficiales de la Federal Highway Administration evaluaron el estado de los puentes de los EEUU y encontró que el 25% de los ellos eran “estructuralmente deficientes o funcionalmente obsoletos”. Y este año, la American Society of Civil Engineers dio a conocer su informe anual del estado de la infraestructura, dándoles un puntaje de 70 (sobre 100) al estado general de los puentes y un puntaje de 60 al estado de los caminos.

La mayoría de estas infraestructuras están hechas de cemento, muchos construidos en la década de los 40 y 50. Hoy en día, estos mismos puentes y caminos están desintegrándose al punto de ya no poder ser reparados, debido en parte a la edad y en parte al deshielo (de-icing) de invierno. Mientras que la sal de los caminos derrite el hielo de sus superficies, también puede meterse dentro de los muchos microporos dentro del concreto, descongelando las moléculas de agua que se hallan dentro de ello. Este descongelamiento rápido puede causar que el cemento se expanda y se raje desde dentro, sacando años de su vida útil de servicio.

Ahora los ingenieros de la National Institute of Standards and Technology (NIST) han desarrollado y patentado una nueva técnica llamada VERDiCT (Viscosity Enhancers Reducing Diffusion in Concrete Technology), que podría potencialmente doblar la vida útil de una pieza de cemento. Al mezclar un nanoaditivo con el cemento, lograron un método que ralentiza la infiltración de la sal de los caminos. Convinieron que cuanto más tiempo necesiten los agentes deteriorantes para penetrar el cemento, este tendrá una vida útil más larga sin rajaduras.

En la fabricación de cemento convencional, el cemento seco – que típicamente consiste de piedra caliza, arcilla y otros minerales – se mezcla con agua para lograr una pasta, y luego es combinado con otros agregados, tales como piedras y arena. Cuando esto se va secando, la pasta hace adherir a los agregados juntos formado una lámina gruesa de cemento. Recientemente han habido esfuerzos para crear un cemento más fuerte, de alto desempeño, principalmente al incrementar la densidad del material. Para lograr esto, los investigadores agregan ya sea varios químicos fortalecientes o muelen los ingredientes secos utilizados para fabricar el cemento para que sean aún más finos que aquellos encontrados en las mezclas convencionales. Una vez que se combinan con agua, la pasta y la lámina gruesa resultantes son muchos más densos y fuertes que el cemento tradicional.

Sin embargo, los científicos encontraron una desventaja nada insignificante a tanta alternativa de alto desempeño. “En las construcciones rápidas, todos buscan utilizar el cemento de fortaleza temprana ya que quieren que el tráfico vuelva a las vías,” declara Dale Bentz, un ingeniero químico en la NIST y el investigador líder del proyecto. “Para lograr esa fuerza, podría moler el cemento aún más finamente [para hacerlo] más reactivo, pero eso también genera más calor y cuando se enfría, podría causar rajaduras. De esta manera se logra cemento de alto desempeño entre las rajaduras, que no es el objetivo buscado.”

Bentz y sus colegas, en vez de eso, hicieron un enfoque a nano-escala para mejorar el concreto. Observaron que dentro del cemento existen millones de microporos llenos de moléculas de agua. Se sabe que los iones del cloruro y sulfato de la sal de los caminos penetran el cemento al esparcirse dentro de la solución de agua; así que hicieron la siguiente hipótesis: al incrementarse la viscosidad de la solución dentro de estos microporos, podría aminorarse la penetración de la sal de los caminos y otros agentes deteriorantes, y por ende, extender la vida útil del cemento.

"Si estos iones están flotando por ahí, si estuvieran moviéndose a través de miel en vez de agua, se frenarían de manera muy pronunciada,” dice Bentz. “la cuestión es encontrar el agente químico correcto que cambiaría la viscosidad de la solución.”

Los investigadores se inspiraron de la industria de los alimentos, que utiliza aditivos como espesantes en todo, desde el aliño para ensaladas hasta las bebidas con gas. Bentz buscaba aditivos similares que podrían incrementar la viscosidad de la solución de agua encontrada dentro del concreto y, también, aminorar la difusión de los iones. Inclusive intentó utilizar un espesante de alimentos, y aún trató con la goma xántica, que se utiliza en salsas y helados.

Después de probar con múltiples aditivos en solución de agua para poder imitar el comportamiento de los iones dentro del cemento, el equipo encontró que aquellos con un tamaño molecular más pequeño eran más exitosos en aminorar la velocidad de la difusión de iones. Los aditivos que se presentan en cadenas moleculares pequeñas, con ramas de hidrógeno y oxígeno, eran particularmente buenos en incrementar la viscosidad de una solución. Bentz afirma que esto podría ser debido al hecho de que dichas ramas de hidrógeno y oxígeno pueden interactuar con las moléculas de agua para formar una barrera contra la infiltración de iones, haciéndo más difícil que puedan penetrar.

El equipo también probó varios aditivos dentro de los cilindros pequeños de morteros de cemento – esencialmente sin los aditivos. Bentz mezcló los aditivos con cemento, dejó que los morteros se secaran y colocó cada mortero dentro de una solución de cloruro durante un plazo de hasta un año. Después de sacar los morteros de la solución, él y su equipo rompieron todos los morteros y analizaron cuán lejos los iones de cloro habían podido penetrar. Comparados con los morteros sin ningún aditivo, aquellos con aditivos mostraron una reducción importante en cuanto a la difusión del cloruro.

Sin embargo, la técnica podría no estar del todo lista para la aplicación a nivel industrial, principalmente debido a los costes potenciales. Bentz declara que para obtener dichos resultados tuvo que hacer que el aditivo representara tanto como el 10% de la solución del cemento. “La industria se muestra cómoda con un 1%, así que existe un factor de costes, ya que costaría un 10% más,” dice Bentz. “Tenemos pruebas fehacientes del concepto, y ahora nos gustaría encontrar un aditivo que funciona en una concentración del 3 al 5%.

Jason Weiss, profesor de ingeniería civil en Purdue University, se encuentra trabajando en mejorar las mezclas de cemento e incrementar el desempeño a largo plazo del material. Dice que dicha técnica un día podría hacer puentes y caminos menos susceptibles a la corrosión. “Esto tiene un enorme potencial,” dice Weiss. “Esto podría implicar que un puente que podría durar hasta 30 años, ahora podría durar de 40 a 45 años bajo el mismo tipo de ataque químico.”

Tecnología y Sociedad

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