Un grupo de investigadores de la Universidad de Rice decidió analizar la mecánica de las micropartículas que forman al cemento para que el hormigón pudiese ganar en resistencia, durabilidad y al mismo tiempo, transformarse en un material más “sostenible”. En Hormigón al Día, te contamos más de esta interesante investigación.
Todos coinciden en que el hormigón es el material más utilizado en la construcción en ciudades y que esa tendencia irá incrementándose con el pasar de los años. Asimismo, tanto desde la propia industria están de acuerdo en un dato no menor: entre un 5% a un 8% de las emisiones de CO2 al medio ambiente, en el mundo, son responsabilidad de la industria del cemento. Por ello, las investigaciones que busquen mejorar las características del cemento son fundamentales para hacerlo más “sostenible”, considerando que es y será el material más utilizado para edificaciones urbanas.
Considerando eso, un grupo de investigadores de la Universidad de Rice decidió analizar las partículas hidratadas de silicato de calcio que conforman el cemento y que son las responsables de mantener unido al hormigón. Los investigadores vieron el proceso de cristalización que se produce en dichas partículas y así, decodificaron la reacción química que ocurre a ese nivel.
¿El fin? Poder “programar” estos elementos para así, “utilizar menos hormigón en las obras, pero con una resistencia mucho mayor”, explicó el profesor Rouzbeh Shahsavari, investigador jefe del proyecto.
Esta conclusión llegó cuando los especialistas notaron en sus análisis que las partículas de silicato de calcio no tenían una forma definida, más bien, parecían estar aglutinadas en grupos desordenados. Con el proyecto liderado por el académico, lo que se pretende es que estas partículas aglutinantes tengan formas definidas como cubos, rombos, prismas rectangulares, dendritas u otras. Además, se podrán “mapear” en un diagrama morfológico unificado al que tendrían accesos los fabricantes y constructores que deseen diseñar hormigón bajo esta morfología del cemento.
“Lo que tenemos es un ‘cemento programable’”, explicó el profesor Shahsavari. “El gran avance que significa este trabajo es que es el primer paso para controlar la cinética del cemento y así, obtener las formas que queramos. Mostramos cómo se puede controlar la morfología y el tamaño de un bloque básico de silicato de calcio hidratado y de esta forma, puedan unirse en microestructuras con una densidad mucho mayor si las comparamos con las microestructuras más amorfas que se constituyen durante el proceso regular del material”.
Programando y “mapeando” la forma básica del cemento
Según detalló del académico, este trabajo se inspira en el autoensamblaje de cristales metálicos y polímeros –un área donde las investigaciones abudan– y constituye todo un hito en la investigación del cemento. “Nuestra investigación proporciona la primera receta para una síntesis tan avanzada”, aseguró.
El académico de la Universidad de Rice contó que primero, las partículas “se formaron automáticamente en nuestras reacciones” y que son estas las que van realizando el proceso “a medida que el resto del material se forma a su alrededor”. De esta forma, Shahsavari reveló que son las propias partículas las que llevan a cabo la reacción. “Es un crecimiento in situ, esa es la belleza de esto. No requiere de elementos externos, como se hace comúnmente para promover los procesos de cristalización y crecimiento en el material”.
Entonces, ¿cómo funciona esta “programación”? Shasavari comentó que lograron crear cubos y rectángulos con las partículas de silicato de calcio hidratado, añadiendo pequeñas cantidades de surfactantes con cargas iónicas positivas y negativas, además de silicato de calcio a las partículas ya presentes. Todo esto fue expuesto a una mezcla de dióxido de carbono y ultrasonido. Las semillas de cristal tomaron se formaron alrededor de las micelas del surfactante en 25 minutos.
En el experimento, los investigadores también descubrieron que si reducían el silicato de calcio en la mezcla, la forma que adoptaban las partículas de silicato de calcio hidratadas es más esférica o de cubos más pequeños. Al contrario, al aumentar el componente, se formaban esferas aglomeradas y cubos interconectados entre sí.
El académico subrayó que una vez que se forman las “semillas de calcita”, estas provocan que las moléculas a su alrededor vayan uniéndose a sí mismas “en cubos, esferas y otras formas cuyas magnitudes son más grandes. Estas formaciones se aglutinan mucho mejor en el hormigón”, explicó el académico.
Este hallazgo, de acuerdo al investigador en jefe del proyecto, posee enormes beneficios mediomabientales. “Uno es que necesitas menos material (hormigón) porque es más fuerte. Esto se debe porque las partículas cúbicas están mejor empaquetadas, lo que lleva a microestructuras más resistentes. Lo otro es que tendrán mayor durabilidad. Menos porosidad dificulta el paso de químicos no deseados en el hormigón, así es que hace un mejor trabajo protegiendo las barras de acero en estructuras de hormigón armado”.
¿Será el “cemento programable” la alternativa a un hormigón más “verde”? Por el momento, el académico de la Universidad de Rice sigue analizando la microestructura del cemento para hallar soluciones más sostenibles del material. Sin embargo, comentó que esta investigación podría repercutir “en otras aplicaciones, como la ingeniería del tejido de huesos, materiales refractantes u otros sistemas más complejos”, subrayó.
