Improvement of electrical resistivity of cement mortar through nanotechnology

1. Introducción

Las actuales tendencias del mercado hacia productos más duraderos, más sostenibles, más económicos y versátiles, fuerza al sector de la construcción a actualizarse, al igual que ocurre en otros sectores tecnológicos más punteros, como la automoción o la aeronáutica, fomentando la investigación e innovación como factores de mejora. En ese sentido, la nanotecnología abre un extenso campo de posibilidades para la producción de materiales para el sector de la construcción con características mejoradas y nuevas funcionalidades nunca antes concebidas. Aunque los expertos auguran grandes resultados de la maduración de estos nuevos materiales nanoestructurados, es cierto que, a día de hoy solamente una proporción muy limitada de nanomateriales han llegado a probarse en entornos reales, principalmente en recubrimientos, cemento y hormigón o materiales de aislamiento, utilizando nanopartículas (NPs) de sílice, plata, óxidos de aluminio o titanio, etc [1] [2].

El objetivo del trabajo es mejorar la matriz cementicia para obtener hormigones menos porosos que impidan o dificulten el paso de agentes agresivos para su uso en obras marítimas o portuarias. Para el desarrollo del trabajo se han empleado tres nanomateriales: nanosílice, nanoarcilla y óxido de grafeno.

2. Experimental

2.1. Materiales

Los materiales empleados para la preparación de las muestras de mortero nanoaditivadas fueron los siguientes: cemento Portland (CEM), escoria de alto horno (E), arena normalizada, nanopartículas de sílice en líquido (NSL), nanopartículas de sílice en polvo (NSP), nanoarcillas (NA), óxido de grafeno (GO), aditivo superplastificante (SP) y agua desionizada.

2.2. Preparación de muestras

Las muestras se prepararon siguiendo la norma UNE EN 196-1. Se ha empleado una amasadora planetaria de morteros y un homogeneizador para dispersar las nanopartículas en el agua de amasado. Se han preparado un total de 20 muestras. Las muestras control se denominaron M0 y M1, siendo M0 como indica la norma y M1 sustituyendo un 40% del cemento por escoria de alto horno. El resto de las muestras (M2-M20) se prepararon empleando esa relación de cemento y escoria como conglomerante. La relación agua/conglomerante (a/c) fue de 0.45. En la Figura 1 se muestran las etapas del proceso de preparación de probetas.

Se realizaron medidas de fluidez para conocer el punto óptimo del superplastificante sin modificar la relación a/c y obtener unas mezclas de mortero fluidas para posteriormente poder fabricar un mortero trabajable. Estas medidas se basaron en el ensayo de cono de Marsh. Se emplearon adiciones de superplastificantes desde 0.6% a 1.2% sobre peso de conglomerante (spc).

Figura 1. Etapas del proceso de preparación y caracterización de las muestras.

En la Tabla 1 se recogen las adiciones usadas. Se usaron adiciones desde 0.05% hasta 9.1% spc.

Tabla 1. Adición (%) de nanocarga.

Muestra	NSL	NSP	NA	GO
M2	0.5			0.1
M3	0.5		0.5
M4	0.5
M5	1
M6	2
M7		0.5
M8		1
M9		2
M10			0.5
M11			1
M12			2
M13				0.05
M14				0.1
M15				0.15
M16	0.9			0.1
M18		3
M19		2
M20	9.1

2.3. Ensayos de caracterización

2.3.1. Ensayos de resistividad eléctrica

Para realizar este ensayo se siguió la norma UNE 83988. Se ha empleado un medidor de resistividad eléctrica (Figura 2), que consiste en comprobar cuánto le cuesta a una carga eléctrica atravesar el hormigón. Cuanto menos poroso es el hormigón presenta una mayor resistividad y, por tanto, mayor es su durabilidad frente a agentes agresivos. Se realizaron medidas de resistividad a los 1, 2, 3, 7, 14, 21 y 28 días de curado de cada probeta fabricada.

Figura 2. Detalle del ensayo de resistividad eléctrica sobre una probeta de mortero.

2.3.2. Ensayos mecánicos

Se realizaron ensayos de flexión sobre las muestras de mortero nanoaditivado empleando una máquina INSTRON 3369 con célula de carga de 50kN (Figura 3). Se siguió la norma UNE EN 196-1. Las probetas eran de 40 mm x 40 mm x 160 mm.

Figura 3. Detalle del ensayo de resistencia a flexión de una probeta de mortero.

3. Resultados y discusión

3.1. Resistividad eléctrica

Los resultados de las medidas de resistividad eléctrica se recogen en la Tabla 2. Para tiempos de curado tempranos (7 días) las mejores muestras son la M9, M18 y M19, con un contenido en NSP del 2% y 3% spc, obteniendo un 40% y 46% de mejora respecto de la muestra control M1, respectivamente. Para tiempos largos de curado (28 días), se mantienen los mejores resultados para las muestras anteriores además de la M20, con un contenido de 9.1% spc. El empleo de las nanoarcillas y el óxido de grafeno no muestra unas mejoras tan significativas como el empleo de nanosílice. Se obtienen mejoras de hasta el 9% respecto de la muestra control M1 para las muestras con NA a 28 días de curado. Las muestras con dos nanoaditivos tampoco logran mejoras tan altas como las muestras con nanosílice.

Tabla 2. Resultados de resistividad de todas las muestras.

Cargas		Días/Resistividad (Ω.m)
		1	2	3	7	14	21	28
Control	M0	16	-	-	37	42	45	47
	M1	6	16	21	35	56	72	86
NSL	M4	5	16	21	35	58	76	93
	M5	8	18	25	39	62	82	102
	M6	8	18	24	37	59	81	102
	M20	8	-	-	40	79	123	160
NSP	M7	7	18	24	41	67	87	106
	M8	8	17	23	42	71	94	113
	M9	9	16	24	50	90	118	143
	M19	8	-	-	49	90	117	137
	M18	9	17	24	51	111	154	182
NA	M10	6	17	23	38	53	77	94
	M11	5	16	22	36	57	73	90
	M12	6	16	23	37	58	75	93
GO	M13	6	15	20	36	54	72	88
	M14	6	14	19	35	52	69	87
	M15	2	6	7	12	20	27	33
Combinaciones	M16	8	17	22	38	63	83	101
	M2	6	16	21	36	58	74	87
	M3	6	16	21	36	59	76	93

En la Figura 4 se observa una gráfica comparativa de las muestras que únicamente son aditivadas con nanosílice en líquido (NSL). A tiempos de curado tempranos (7 días) apenas se observa mejora en las medidas de resistividad respecto de la muestra control M1, del orden del 14%. En cambio, para edades de 28 días de curado se alcanza una mejora de hasta el 86% para la muestra M20 con un 9.1% spc de NSL respecto de la muestra control M1.

Figura 4. Resistividad eléctrica vs tiempo de curado para las muestras con NSL.

En la Figura 5 se observa una gráfica comparativa de las muestras que únicamente son aditivadas con nanosílice en polvo (NSP). Las muestras M9 y M19 contienen el mismo % de aditivo, la diferencia está en la forma de incorporar la nanosílice. Para la muestra M19 la nanosílice se mezcló con el resto de sólidos (cemento+escorias). Sin embargo, en la M9 se siguió el procedimiento indicado en la Figura 1. Se obtienen mejoras del 40% respecto de la muestra control M1 para la muestra con un 2% spc (M19) y del 46% para la muestra con 3% spc (M18) para tiempos de curado de 7 días. Para tiempos de curado de 28 días la muestra con un 3% spc (M18) presenta una mejora del 112% respecto de la muestra control M1.

Figura 5. Resistividad eléctrica vs tiempo de curado para las muestras con NSP.

Estas mejoras obtenidas adicionando nanopartículas de sílice se debe a que presentan actividad puzolánica: consiguen reducir los cristales de Ca(OH)₂. Esta acción se traduce en un mortero menos poroso y permeable. Además, estas nanopartículas actúan como relleno (fillers) de los poros que se generan en la estructura del C-S-H haciendo que la matriz se densifique [3][[#_Ref135037400|]].

3.2. Resistencia a flexión

Los resultados obtenidos en los ensayos a flexión realizados se muestran en la Tabla 3. Las probetas se ensayaron a los 28 días de curado. Los resultados son el promedio de las tres probetas preparadas por muestra. Como se observa, el empleo de estas adiciones no genera modificaciones significativas en las resistencias mecánicas a flexión respecto de las muestras control.

Tabla 3. Resultados de los ensayos a flexión.

Cargas	Muestra	Carga máxima (N)	Resistencia a flexión (MPa)
Control	M0	4515.9	10.6
	M1	4531.2	10.6
	M4	4056.9	9.5
NSL	M5	3957.1	9.3
	M6	4026.7	9.4
	M20	4679.2	11.0
	M7	4201.6	9.8
	M8	4177.0	9.8
NSP	M9	3300.8	7.7
	M19	4677.8	11.0
	M18	4712.7	11.0
	M10	3702.5	8.7
NA	M11	3631.9	8.5
	M12	3720.6	8.7
	M13	4627.0	10.8
GO	M14	4429.3	10.4
	M15	2764.6	6.5
	M2	3941.0	9.2
Combinaciones	M3	3652.8	8.6
	M16	4624.6	10.8

4. Conclusiones

A continuación, se detallan las conclusiones más relevantes:

• El empleo de nanosílice mejora significativamente la resistividad del mortero de cemento. A mayor contenido en nanosílice mejores resultados de resistividad.

• El uso de nanoarcilla mejora ligeramente la resistividad, aunque lejos de los porcentajes en que lo hace la nanosílice, mientras que el óxido de grafeno no.

• Con un 3% spc de NSP (M18) se obtienen los mejores resultados (112% de mejora respecto de la muestra control con escorias a 28 días de curado).

• A edades tempranas de curado (7 días) las medidas de resistividad son similares para las muestras con un 2% spc NSP, independientemente del proceso de mezclado de las nanopartículas. Se observa el mismo comportamiento si empleamos un 3% spc NSP.

• La muestra control sin escorias muestra unos valores de resistividad muy elevados tras desmoldar, pero a los 7 días se comporta igual que la muestra control con escorias. A edades más avanzadas presenta resultados notablemente peores que la muestra con escorias.

• A edades avanzadas de curado (28 días) se observan diferencias según el contenido y el formato de la nanosílice. Con un 3% spc NSP (M18) se obtiene el valor más alto (182 Ω.m), seguido de 9.1%spc NSL (M20: 160 Ω.m), de 2% spc NSP (M9: 143 Ω.m) y 2% spc NSP (M19: 137 Ω.m).

• Los ensayos de resistencia a flexión tras 28 días no muestran una mejora de las propiedades mecánicas respecto de las muestras control, manteniéndose en valores muy similares.

5. Agradecimientos

Este trabajo ha sido realizado gracias al proyecto “Desarrollo y validación de materiales de alta durabilidad para su aplicación en estructuras marítimas y espaldones vulnerables al Cambio Climático (MADAME)” financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (España), de la convocatoria Retos Colaboración 2017 con referencia RTC-2017-6009-5. Se trata de un proyecto en cooperación cuyo consorcio está formado por Dragados, Drace, GalaiControl, Fundación Agustín Betancourt y Fundación Centro Tecnológico de Componentes, siendo el coordinador del proyecto Dragados.

Bibliografía

[1]	Y. Reches, «Nanoparticles as concrete additives: review and perspectives,» Construction and Builiding Materials, vol. 175, pp. 483-495, 2018.
[2]	N. Singh, M. Kalra y S. Saxena, «Nanoscience of cement and concrete,» Materials Today: Proceedings, vol. 4, pp. 578-5487, 2017.
[3]	J. Alcaraz, «Microestructura del hormigón con adición de nano sílice,» Universidad Politecnica de Cartagena, España, 2012.