Concreto Ultradurable?

Ingenieros Civiles del MIT han identificado por primera vez lo que causa el deterioro gradual del material más frecuente utilizado en la industria de la construcción --el concreto--, minimizando su durabilidad y acortando la vida de estructuras de infraestructura tales como puentes y contenedores de desechos nucleares. (Mar Jul 07 2009)
En un documento publicado en la edición de la semana del diario en línea Proceedings of the National Academy of Sciences [PNAS], los investigadores comentan que la fluencia del concreto [término técnico utilizado para el tiempo de deformación que ocurre en el concreto cuando es sujeto a carga] es causado por el reacomodo de partículas a nanoescala.

-Finalmente podemos explicar cómo ocurre este fenómeno-, comentó el Profesor Franz-Josf Ulm, co-autor del documento publicado. -No podemos prevenir este fenómeno de que ocurra, pero si podemos detener el periodo en el que ocurre, esto aumentará la durabilidad del concreto y prolongará la vida de las estructuras. Nuestra investigación establece las bases para la reingeniería del concreto desde una perspectiva a nanoescala-.

Esta investigación coincide ya que la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles ha asignado un grado agregado de -D- a la infraestructura de los Estados Unidos, muchas de las cuales están construídas con concreto. Y es muy probable que sea la guía para la infraestructura de concreto capaz de durar cientos de años en vez de décadas, las cuales se traducirán en enormes ahorros de costos y en bajas emisiones de CO2 a la atmósfera. Un estimado de 5% a 8% de todos los gases generados por el hombre provienen de la industria del concreto.

Ulm, quien ha invertido casi dos décadas estudiando el comportamiento mecánico del concreto y su componente principal, la mezcla de cemento, se ha enfocado en los años previos en su nanoestructura. Esto dió como resultado una publicación en un periódico en el año 2007 que dictaba que los componentes básicos de la mezcla del concreto eran a nanoescala - calcio-hidratados-silicato, ó C-H-S - que son granulares por naturaleza. El documento explicaba que los componentes C-H-S se autoensamblaban de forma natural a dos fases estructurales distíntas pero químicamente similares al ser mezcladas con agua, cada una con un relleno y densidad similar a una de las dos densidades máximas permitidas por la naturaleza para objetos esféricos [64% de la baja densidad y 74% para la alta].

En la nueva investigación anunciada en el periódico de la PNAS, Ulm y su co-autor Matthieu Vandamme explican que la deformidad del concreto viene cuando estas partículas de nanómetros C-H-S se reacomodan en densidades alteradas: algunas más flojas y otras más compactas con la mezcla.

También explican que una tercera fase más densa de los C-S-H puede ser inducida al manipular cuidadosamente la mezcla de cemento con otros minerales tales como vapor de silica, un material de desecho de la industria del alumunio. Este mineral forma partículas adicionales más pequeñas que caben entre los espacios entre los nanogranulos de C-S-H, espacios que fueron llenados anteriormente con agua. Esto dá el efecto de aumentar la densidad de los C-H-S hasta en un 87%, que a su vez dificulta el movimiento de los C-S-H con el tiempo.

-Hay una búsqueda por la industria para encontrar un método óptimo para crear tales materiales de construcción de alta densidad basados en la consideración de espacios confinados, un método que también es ambientalmente sustentable-, comentó Ulm. -La adición de vapor de silica es uno de los métodos conocidos en uso para modificar la densidad del concreto; ahora sabemos que la construcción de nanoescala con el agregado de vapor de silica reduce la deformación del concreto. Desde una perspectiva a nanoescala, otros medios ahora existen para lograr esta alta densidad, y materiales más durables y resistentes-.

-La visión obtenida dentro de la nanoestructura pone al concreto en circunstancias similares con materiales de alta tecnología, cuya microestructura que puede aplicarse mediante la nanoingeniería para cumplir con criterios específicos de desempeño: dureza, durabilidad y un menor impacto con el ambiente-, cometó Vandamme, quien obtuvo un Doctorado del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental en el 2008 y es ahora profesor de la Ecole des Ponts ParisTech, Université Paris-Est.

En su publicación de la PNAS, los investigadores muestran experimentalmente que el estimado de deformación es logarítmico, lo cual quiere decir que al reducir la deformación incrementa la durabilidad exponencialmente. Demuestran matemáticamente que la deformación se puede decrementar en un rango de 2.6. Esto dará como resultado un verdadero e importante efecto sobre la durabilidad del concreto: un contenedor de desechos nucleares se construye para durar 200 años con el concreto desarrollado hoy en día podría durar hasta 16,000 años si es construído con un concreto de ultra alta densidad [UHD].

Ulm destacó que el concreto de UHD podría alterar la forma de diseños estructurales, así como también contar con enormes implicaciones ambientales, debido a que el concreto es el material mayormente producido por el hombre sobre la tierra: 20 billones de toneladas por año en todo el mundo con un 5% de aumento anualmente. Un concreto más durable significa que menos material de construcción y menor renovaciones frecuentes serán requeridas.

-Entre más delgada es la estructura, más sensitiva es a la deformación, por lo que hasta ahora, no hemos podido construir estructuras ligeras de gran escala, y estructuras durables de concreto-, cometó Ulm. -Con este nuevo entendimiento del concreto, podríamos producir filigranas: estructuras de concreto ligeras, durables y elegantes que requieren mucho menos material-.

Ulm y Vandamme lograron sus descubrimientos e investigación utilizando un dispositivo de nano-identización, el cual permite manipular y estresar los C-S-H [o utilizar la terminología de ingeniería civil, aplicar carga] y medir en minutos las propiedades de deformación que son medidas usualmente en experimentos de más largo plazo en escala macroscópica.

Este proyecto fue fundado en parte por el Grupo Lafarge, un productor de materiales de construcción Francés.

Fuente [español]: arquired.com.mx.
Enlace: http://noticias.arquired.com.mx/shwArt.ared?idArt=132