211service.com
Fortalecimiento del hormigón
Para los profesionales cuyo trabajo es evaluar la infraestructura, está claro que el vasto sistema de carreteras y puentes del país necesita reparaciones urgentes. En 2007, los funcionarios de la Administración Federal de Carreteras calificaron al 25 por ciento de los puentes estadounidenses como estructuralmente deficientes o funcionalmente obsoletos. Y solo este año, el Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles publicó su boleta de calificaciones anual de infraestructura, dando al estado general de los puentes una C y las carreteras una D-.
Hormigón de cementación: Una nueva técnica hace que el hormigón sea menos susceptible a agentes corrosivos como la sal para carreteras. En la parte superior de esta imagen de rayos X, el área azul-verde apenas visible muestra que muy pocos iones de cloruro (en verde) han penetrado en el hormigón tratado (azul). Las partículas rojas indican granos de arena mezclados con cemento.
La mayoría de estas estructuras están hechas de hormigón, muchas de ellas erigidas en las décadas de 1940 y 1950. Hoy en día, estos puentes y carreteras se están derrumbando en mal estado, en parte debido a la edad y en parte debido al deshielo del invierno. Si bien la sal de las carreteras derrite el hielo de las superficies, también puede penetrar en los muchos microporos del concreto, descongelando las moléculas de agua que contiene. Este descongelamiento rápido puede hacer que el concreto se expanda y agriete desde adentro, lo que le quita años de vida útil.
Ahora ingenieros del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología ( NIST ) han desarrollado y patentado una nueva técnica, llamada VERDiCT (Mejoradores de viscosidad que reducen la difusión en la tecnología del hormigón), que podría duplicar la vida útil de una pieza de hormigón. Al mezclar un aditivo de tamaño nanométrico con cemento, idearon un método que ralentiza la infiltración de la sal de la carretera. Razonaron que cuanto más tarden los agentes deteriorantes en penetrar, más tiempo durará el hormigón sin agrietarse.
En la fabricación de concreto convencional, el cemento seco, que generalmente consiste en piedra caliza, arcilla y otros minerales, se mezcla con agua para hacer una pasta y se combina con agregados, como rocas o arena. A medida que se seca, la pasta pega los agregados para formar una losa de hormigón. Recientemente, se han realizado esfuerzos para crear hormigón más resistente y de alto rendimiento, principalmente aumentando la densidad del material. Para hacer esto, los investigadores agregan varios químicos reforzantes o muelen los materiales secos utilizados para hacer cemento para que sean aún más finos que los que se encuentran en las mezclas convencionales. Una vez combinada con agua, la pasta y losa resultante es mucho más densa y resistente que el hormigón tradicional.
Sin embargo, los científicos han encontrado una desventaja importante en estas alternativas de alto rendimiento. En la construcción de vía rápida, todos optan por concreto de resistencia temprana porque quieren que el tráfico vuelva a funcionar, dice Dale Bentz , ingeniero químico del NIST e investigador principal del proyecto. Para obtener esa resistencia, puede moler el concreto más fino [para hacerlo] más reactivo, pero eso también genera más calor, y cuando se enfría y se contrae, podría causar grietas. Entonces, obtiene concreto de alto rendimiento entre las grietas, que no es lo que desea.
Bentz y sus colegas adoptaron un enfoque a nanoescala para mejorar el hormigón. Reconocieron que dentro del hormigón hay millones de diminutos microporos llenos de moléculas de agua. Se sabe que los iones de cloruro y sulfato de la sal de carreteras penetran en el hormigón al difundirse en esta solución acuosa, por lo que plantearon la hipótesis de que el aumento de la viscosidad de la solución dentro de estos microporos podría ralentizar la penetración de la sal de carreteras y otros agentes de deterioro y prolongar la vida útil del hormigón.
Si estos iones están flotando, si se mueven a través de la miel en lugar del agua, se ralentizarán significativamente, dice Bentz. El truco consiste en encontrar la sustancia química adecuada que cambie la viscosidad de la solución.
Los investigadores siguieron el ejemplo de la industria alimentaria, que utiliza aditivos como espesantes en todo, desde aderezos para ensaladas hasta bebidas carbonatadas. Bentz buscó aditivos similares que aumentaran la viscosidad de la solución de agua que se encuentra en el concreto y la difusión de iones lenta; Incluso intentó usar espesantes de alimentos, incluida la goma xanthum, que se usa en salsas y helados.
Después de seleccionar múltiples aditivos en una solución de agua para modelar el comportamiento de los iones en el concreto, el equipo descubrió que aquellos con un tamaño molecular más pequeño tenían más éxito en reducir la velocidad de difusión de iones. Los aditivos que se encuentran en pequeñas cadenas moleculares, con ramas de hidrógeno y oxígeno, fueron particularmente buenos para aumentar la viscosidad de una solución. Bentz dice que esto podría deberse al hecho de que tales ramas de hidrógeno y oxígeno pueden interactuar con las moléculas de agua para formar una barrera contra los iones que se infiltran, lo que dificulta su penetración.
El equipo también probó varios aditivos dentro de pequeños cilindros de morteros de cemento, esencialmente, concreto sin agregados. Bentz mezcló los aditivos con cemento, dejó secar los morteros y colocó cada mortero en una solución de cloruro hasta por un año. Después de retirar los morteros de la solución, él y su equipo rompieron cada mortero y analizaron hasta dónde podían penetrar los iones de cloruro. En comparación con los morteros sin aditivos, aquellos con aditivos mostraron una reducción significativa en la difusión de cloruros.
Sin embargo, es posible que la técnica no esté lista para su aplicación a escala industrial, principalmente debido a los costos potenciales. Bentz dice que para obtener tales resultados tuvo que fabricar el aditivo hasta en un 10 por ciento de la solución de cemento. La industria se siente cómoda con el uno por ciento, por lo que hay un factor de costo, ya que costará un 10 por ciento más, dice Bentz. Hemos demostrado una prueba de concepto y ahora nos gustaría encontrar un aditivo que funcione a una concentración del 3 al 5 por ciento.
Jason Weiss , profesor de ingeniería civil en la Universidad de Purdue, trabaja para mejorar las mezclas de hormigón y aumentar el rendimiento a largo plazo del material. Él dice que tal técnica algún día puede hacer que los puentes y las carreteras sean menos susceptibles a la corrosión. Esto tiene un potencial enorme, dice Weiss. Esto implicaría que un puente que podría durar 30 años ahora duraría de 40 a 45 años bajo el mismo tipo de ataque químico.