Científicos de Saja, aumentan la resistencia del hormigón en un 48 por ciento
Yakutsk, Sajá, Rusia, Asia.- Científicos han aumentado la resistencia del hormigón en un 48 % y lo han vuelto conductor mediante la adición de una pequeña cantidad de óxido de grafeno. Medir la conductividad eléctrica del material resultante durante su uso facilitará el seguimiento de su estado, como la aparición de deformaciones.
Este nuevo compuesto también podría servir de base para revestimientos calefactores energéticamente eficientes para pavimentos de carreteras y suelos de edificios. Además, los autores propusieron un modelo para la formación de grietas en el hormigón modificado, lo que podría prolongar la vida útil de las estructuras construidas en climas nórdicos y árticos. Los resultados del estudio, financiado por la Fundación Rusa para la Ciencia (RSF), se publicaron en la revista «Recursos Naturales del Ártico y Subártico».
Los materiales compuestos, formados por dos o más componentes, se utilizan cada vez más en la construcción. Ofrecen la ventaja de combinar las propiedades beneficiosas de los materiales que los componen. Por ejemplo, la fibra de vidrio puede utilizarse en lugar del acero para reforzar las estructuras de hormigón. Es ligero, duradero y resistente a la corrosión, pero también es caro, ignífugo y quebradizo bajo cargas excesivas. Por ello, los científicos buscan nuevas composiciones compuestas que no solo superen en resistencia a los materiales tradicionales, sino que también puedan indicar su estado, por ejemplo, el riesgo de deformación y fallo.
Investigadores del Instituto Larionov de Problemas Físicos y Técnicos de la Rama Siberiana Norte de la Academia de Ciencias de Rusia y de la Universidad Federal del Noreste Ammosov (Yakutsk) han mejorado las propiedades del hormigón, un material de construcción clave, mediante la adición de óxido de grafeno obtenido a partir de residuos industriales y la modelización de la formación de grietas en dicho hormigón.
El grafeno es un material resistente y conductor compuesto por capas de carbono de un átomo de espesor. Gracias a estas propiedades, el grafeno puede aumentar la resistencia del material de construcción y también conferirle conductividad eléctrica. Esta última propiedad puede utilizarse para monitorizar el estado del compuesto. Por ejemplo, una disminución de la conductividad puede indicar cargas excesivas y el riesgo de fallo de una estructura construida con este material.
Microimágenes de superficie obtenidas mediante un microscopio de fuerza atómica INTEGRA combinado con espectroscopia de fluorescencia Raman confocal.
Sin embargo, los estudios demuestran que, al añadirse a las mezclas de cemento, el grafeno puro forma aglomerados densos y se distribuye de forma irregular en el material, lo que reduce su efecto de refuerzo. Por lo tanto, para distribuir uniformemente las partículas de grafeno en la matriz de cemento, los autores utilizaron óxido de grafeno. Gracias a sus grupos oxigenados, el óxido de grafeno interactúa mejor con el material circundante que el grafeno puro, evitando su aglomeración. Los investigadores elaboraron muestras de hormigón con un 0,2 % y un 0,5 % de este modificador.
Posteriormente, los autores analizaron las propiedades mecánicas y eléctricas de la muestra original y de los hormigones modificados. Para ello, las muestras se comprimieron en un banco de pruebas de laboratorio mientras se registraba su resistencia eléctrica. Se observó que la adición de grafeno incrementó la resistencia del hormigón en un 48 %.
Comparación entre el crecimiento de grietas detectado experimentalmente y el modelado visual del proceso de fractura del hormigón modificado con óxido de grafeno.
Además, el hormigón, que normalmente no es conductor, adquirió esta propiedad. Asimismo, la conductividad eléctrica del material varió en respuesta a la tensión mecánica. Al comprimir la muestra, la conductividad aumentó gradualmente, pero disminuyó bruscamente cuando las cargas se aproximaron a la resistencia máxima del material. Por lo tanto, los datos sobre la conductividad eléctrica del hormigón modificado pueden utilizarse para identificar cargas excesivas en el material. En la construcción, este enfoque permitirá monitorizar el estado de edificios, soportes de puentes y otras estructuras de hormigón.
Los autores también desarrollaron un modelo numérico que permite evaluar la resistencia del hormigón modificado al agrietamiento. Este desarrollo será útil para evaluar la fiabilidad de las estructuras construidas con materiales compuestos, especialmente en condiciones extremas, como las bajas temperaturas de las regiones árticas de Rusia.
«Gracias a su conductividad eléctrica, estos hormigones pueden utilizarse no solo para monitorizar la resistencia de las estructuras, sino también para la calefacción rentable de pavimentos y suelos interiores, y para proteger las estructuras de hormigón armado de la corrosión y las grietas por congelación. Además, podrían servir como estaciones de carga inalámbrica para vehículos eléctricos en carretera. En el futuro, planeamos simular el efecto de la corriente eléctrica en la degradación de este material a bajas temperaturas y su potencial de acumulación de energía», explica Valery Lepov, Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Miembro Titular de la Academia de Ciencias de la República de Sajá (Yakutia) y Científico Jefe del proyecto financiado por la Fundación Rusa para la Ciencia. Empleado a tiempo completo del Instituto de Física y Tecnología de la Rama Siberiana de la Academia de Ciencias de Rusia.
