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Ciencia.-Cemento más fuerte con nanopartículas de camarón

La adición de nanopartículas de caparazones de camarón refuerza significativamente el cemento, un avance que reduciría los desechos de mariscos y la huella de carbono en la producción de cemento.

MADRID, 2 (EUROPA PRESS)

En un informe publicado en la revista Cement and Concrete Composites, un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Washington (WSU) y el Pacific Northwest National Laboratory creó nanocristales y nanofibras de quitina, el segundo biopolímero más abundante en la naturaleza, a partir de caparazones de camarón de desecho.

Cuando estos diminutos fragmentos de quitina, que son unas 1.000 veces más pequeños que un cabello humano, se agregaron a la pasta de cemento, el material resultante era hasta un 40 % más fuerte. El tiempo establecido para el cemento, o cuánto tarda en endurecerse, también se retrasó más de una hora, una propiedad deseada para el transporte de larga distancia y el trabajo de concreto en clima cálido.

"La industria del hormigón está bajo presión para reducir sus emisiones de carbono de la producción de cemento", dijo en un comunicado Somayeh Nassiri, profesora asociada de la Universidad de California, Davis, quien dirigió la investigación en WSU. "Al desarrollar estos novedosos aditivos que mejoran la resistencia del concreto, podemos ayudar a reducir la cantidad de cemento requerido y disminuir las emisiones de carbono del concreto".

El hormigón se utiliza en todo el mundo en infraestructura crítica como edificios, puentes y carreteras. Es el material más utilizado en la tierra después del agua. La producción de cemento es intensiva en carbono, lo que requiere el uso de combustibles fósiles para alcanzar las altas temperaturas requeridas (1.500°C). La piedra caliza utilizada en su producción también pasa por una descomposición que produce dióxido de carbono adicional. La producción de cemento comprende alrededor del 15% del consumo de energía industrial y alrededor del 5% de las emisiones totales de gases de efecto invernadero en todo el mundo. El alto consumo del material también se debe en parte al desafío de la durabilidad: el cemento se agrieta fácilmente y debe repararse o reemplazarse con frecuencia, dice Nassiri.

Mientras tanto, los desechos de mariscos son un problema importante para la industria pesquera, que genera cuatro millones de toneladas de desechos anualmente en todo el mundo. La mayor parte de esos desechos se vierten en el mar, dice Hui Li, profesor asistente de investigación en el Centro de Ingeniería y Materiales Compuestos de WSU y autor correspondiente del artículo.

Los investigadores han trabajado para mejorar el cemento con un biopolímero común similar, la celulosa. A veces, los aditivos de celulosa ayudarían al concreto y, a veces, no. Los investigadores estaban desconcertados en cuanto a por qué.

En su trabajo, el equipo de WSU estudió los materiales de quitina a nanoescala. Los caparazones de cangrejos, camarones y langostas se componen de aproximadamente un 20-30% de quitina y gran parte del resto es carbonato de calcio, otro aditivo útil para el cemento. En comparación con la celulosa, la quitina a escala molecular tiene un conjunto adicional de átomos, un grupo funcional, que permite a los investigadores controlar la carga en la superficie de las moléculas y, en consecuencia, cómo se comportan en la lechada de cemento.

El éxito en el fortalecimiento de la pasta de cemento se redujo a cómo las partículas se suspenden dentro de la lechada de cemento y cómo interactúan con las partículas de cemento.

"Las nanopartículas de quitina repelen las partículas de cemento individuales lo suficiente como para cambiar las propiedades de hidratación de la partícula de cemento dentro del sistema", dijo.

A medida que agregaron los nanocristales de quitina procesados al cemento, pudieron mejorar y enfocar sus propiedades, incluida su consistencia, el tiempo de fraguado, la resistencia y la durabilidad. Vieron un aumento del 40 % en la resistencia a la forma en que el concreto puede doblarse y una mejora del 12 % en la capacidad para comprimirlo.

"Esos son números muy significativos", dijo Wolcott. "Si puede reducir la cantidad que usa y obtener la misma función mecánica o función estructural y duplicar su vida útil, entonces puede reducir significativamente las emisiones de carbono del entorno construido".

Los investigadores ahora esperan ampliar el trabajo para comenzar a producir el aditivo a gran escala. La investigación también debe continuar para lograr el mismo nivel de mejoras visto en la escala de pasta de cemento en la escala de hormigón.

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