Efecto de la nanosílice sobre las propiedades reológicas de la matriz cementante y su influencia en el estado endurecido del concreto hidráulico (2019)
En este documento se presentan los resultados de una investigación encaminada a establecer el efecto de nanopartículas de sílice de diferentes tamaños sobre las propiedades reológicas en estado fresco y en estado endurecido de concretos autocompactantes. Las investigaciones realizadas hasta el momento han determinado en su mayoría los efectos de la adición de nanosílice en la reología del concreto mediante la correlación con ensayos convencionales y empíricos, sin profundizar en el estudio reológico del material y otras propiedades en estado endurecido de compuestos cementantes nanomodificados. En las primeras etapas del estudio se investigó el efecto de nanopartículas de sílice, de dos tamaños diferentes, en las propiedades mecánicas de morteros de cemento Portland, cuando dichas nanopartículas se adicionaban a los morteros en ausencia de un aditivo superplastificante. Lo anterior en orden de determinar si en ausencia de un aditivo plastificante, son suficientes un tamaño nanométrico y un elevado contenido amorfo de las nanopartículas para mejorar las resistencias mecánicas de morteros de cemento Portland, cuando se utilizan pequeñas dosificaciones de nanopartículas (hasta 1.5% por peso del cementante). Posteriormente, para determinar el efecto del tamaño de nanopartículas y el uso de superplastificantes de diferente naturaleza sobre las propiedades reológicas y el estado endurecido de materiales cementantes, se examinaron las propiedades de esfuerzo de fluencia y viscosidad plástica de pastas, y la resistencia a la compresión de morteros con bajas relaciones agua/cemento, utilizando adiciones de nanosílice de dos diferentes tamaños y adiciones de dos superplastificantes de diferente naturaleza. Para los materiales utilizados, una vez identificada la combinación de dosificaciones de nanosílice y superplastificante que incrementan la resistencia a la compresión y mejoran la reología de pastas cementantes, se emplearon subcombinaciones de los dos tipos de nanopartículas de sílice a niveles de 100-0, 75-25, 50-50, 25-75 y 0-100 para incrementar el empaquetamiento y mejorar las propiedades reológicas/mecánicas de las pastas cementantes. A partir de las subcombinaciones de nanopartículas de sílice efectuadas, se elaboró un modelo reológico para la predicción de las propiedades de esfuerzo de fluencia y viscosidad de pastas cementantes. Paralelamente se evaluó un esquema de producción de nanopartículas de sílice por el método sol-gel, utilizando amoniaco como catalizador, donde se emplearon dos condiciones de pH (9 y 11) y cuatro esquemas de adición de agua amoniacal, en los cuales se distribuyeron fracciones volumétricas entre el inicio de la síntesis y transcurridas 7h de reacción. La nanosílice producida se caracterizó por técnicas analíticas como microscopia electrónica de barrido (SEM) y dispersión de luz dinámica (DLS) para determinar morfología y distribución de diámetro de partícula, espectroscopia de rayos X por energía dispersiva (EDX) con el fin de identificar elementos representativos de las muestras y difracción de rayos X (XRD) para determinar el tipo de estructura (cristalina o amorfa) generada por las partículas tras la síntesis. La inclusión de las nanopartículas de sílice producidas en medio básico a pastas de cemento genera incrementos de hasta 25% de resistencia a la compresión a la edad de 28 días para una dosificación de 0.4% en peso del material cementante principal. En adición, la resistencia a la compresión a 28 días de las pastas cementantes adicionadas con las nanopartículas producidas en el laboratorio fueron hasta 28% mayores, en comparación a la resistencia a la compresión proporcionada por nanopartículas de sílice comerciales con tamaños de 36 nm y 264 nm y adicionadas en dosificaciones similares. Lo anterior comprueba el potencial que tienen las nanopartículas de sílice, producidas en este estudio, sobre el mejoramiento de propiedades mecánicas de compuestos basados en cemento. Finalmente se presentan los resultados de un programa experimental encaminado a estudiar la modificación de las propiedades reológicas, propiedades en estado fresco, las propiedades en estado endurecido y las propiedades de durabilidad de concretos autocompactantes adicionados con nanopartículas de sílice utilizando cinco dosificaciones en peso del material cementante principal, esto es, 0%, 0.5%, 1.0%, 1.5% y 2.0%. Las dosificaciones óptimas de nanosílice (para el rango analizado) para el mejoramiento de las propiedades reológicas, resistencia a la compresión, módulo elástico, relación de Poisson, resistencia a tensión indirecta, módulo de rotura, resistencia a la penetración de cloruros y resistencia a la carbonatación de los concretos autocompactantes correspondieron a 1.5 % y 2.0 % en peso. De este modo, generando un mejor entendimiento de las propiedades reológicas de los compuestos cementantes nanoestructurados desde su estado de reposo hasta condiciones de bombeo, se fomentará la producción de concretos de altas prestaciones con ventajas potenciales en trabajabilidad, colocación y compactación, sin disminución alguna en las propiedades de resistencia y vida útil, además de una reducción en costos de fabricación por la utilización y aprovechamiento de algunos aditivos industriales.