Mejoramiento de la resistencia a compresión del concreto ...
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Mejoramiento de la resistencia a compresión del concreto con Nanotubos de
Carbono
Ellerly Alejandro Navarro Jiménez
Horacio Forero Romero
Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica
Tecnología en Construcciones Civiles Bogotá 2017
Mejoramiento de la resistencia a compresión del concreto con Nanotubos de
Carbono
Ellerly Alejandro Navarro Jiménez
20112079081
Horacio Forero Romero
20112079021
Trabajo de Grado
Tecnología en Construcciones Civiles
Tutor:
Ing. Milton Mena Serna
Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica
Tecnología en Construcciones Civiles Bogotá 2017
Nota de aceptación
_________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________
Jurado
_________________________________
Bogotá Junio de 2017
Dedicatoria
A mis padres Luis Bernardo Navarro Curaran, Betty Yalile Jiménez Sánchez, por su apoyo en este proceso de formación, familiares que estuvieron pendientes de este camino que tome, y amigos que siempre estuvieron pendientes que han sido una gran ayuda para lograr este esta etapa, a todos los que estuvieron, pero aportaron en mi un grano de arena para culminar mis estudios.
Ellerly Alejandro Navarro Jiménez
A mis padres Horacio Forero Mendoza, Olga Beatriz Romero Cruz por su apoyo incondicional en las noches y madrugadas, por sus sabios y acertados consejos, familiares que estuvieron pendientes en este camino que tome y amigos que siempre estuvieron pendientes ya que han sido un apoyo indudable en momentos duros de este gran camino, a todos los que estuvieron y aportaron en mi un grano de arena para subir el primer escalón de una escalera sin fin.
Horacio Forero Romero
Agradecimiento
A la universidad distrital francisco José de caldas por darnos la oportunidad de ser parte de esta gran familia universitaria, prestándonos sus instalaciones y guiándonos con los docentes que han hecho que esta profesión sea querida y amada, al Ing. Milton Mena quien con sus conocimientos nos orientó en la elaboración de esta monografía.
TABLA DE CONTENIDO
LISTA DE TABLAS .......................................................................................... 17
LISTA DE ILUSTRACIONES ........................................................................... 18
LISTA DE ECUACIONES ................................................................................. 19
LISTA DE ANEXOS ......................................................................................... 20
RESUMEN ........................................................................................................ 21
INTRODUCCION .............................................................................................. 22
IDENTIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA .................................. 23
JUSTIFICACIÓN .............................................................................................. 24
HIPOTESIS ....................................................................................................... 25
VARIABLES ..................................................................................................... 25
OBJETIVOS ..................................................................................................... 26
ALCANCES ...................................................................................................... 27
DISEÑO METODOLOGICO ............................................................................. 28
1. MARCOS DE REFERENCIA .................................................................... 30
1.1. Marco de Antecedentes .................................................................... 30
1.2. Marco Conceptual ............................................................................. 32
1.2.1. Descubrimiento .......................................................................... 32
1.2.2. Nanotecnología .......................................................................... 33
1.3. Marco Teórico ................................................................................... 34
2. Nanotecnología en Colombia ................................................................. 36
2.1. Principales grupos de investigación1 ............................................. 37
3. Usos y aplicaciones de la nanotecnología2 .......................................... 38
3.1.1. Nanotecnología aplicada a la administración de fármacos .... 38
3.1.2. Nanotecnología aplicada a la terapia del cáncer ..................... 38
3.1.3. Aplicaciones de la nanotecnología en el Medio Ambiente ..... 39
3.1.4. Aplicaciones de la nanotecnología en la obtención de energía
............................................................................................................... 39
3.1.5. Nanotecnología aplicada en el agua ......................................... 39
3.1.6. Nano tecnología aplicada a dispositivos nanoinformaticos .. 39
3.1.7. Riesgos De la nanotecnología en el medio ambiente ............. 40
3.1.8. Riesgos de la nanotecnología en la salud de los seres
humanos ............................................................................................... 41
4. Implementación de la nanotecnología en el concreto ......................... 42
4.1. Nano tubos de carbono (NTC) ......................................................... 43
4.1.1. Método de elaboración .............................................................. 44
Deposición química en fase de vapor (CVD) Método del 4.1.1.1.
sustrato 5 ........................................................................................... 44
Método de Ablación Laser 6 ................................................ 46 4.1.1.2.
Método del Arco de Descarga 7 .......................................... 48 4.1.1.3.
Otros Métodos De Síntesis 8 ............................................... 49 4.1.1.4.
4.1.2. Estructura de los nanotubos de carbono ................................ 50
4.1.3. Tipos de Nanotubos de Carbono .............................................. 51
Nanotubo monocapa o pared sencilla ............................... 51 4.1.3.1.
Nanotubos de carbono de pared múltiple ......................... 52 4.1.3.2.
4.1.4. Tipos de Nanotubos de carbono Según su geometría interna,
metálicos- semiconductor.10 ............................................................... 53
Nanotubos tipo zig-zag, metálico –semiconductor, según 4.1.4.1.
su geometría interna. ....................................................................... 53
Nanotubos tipo armchair, comportamiento metálico. ...... 54 4.1.4.2.
Nanotubos tipo quiral, comportamiento semiconductor. 54 4.1.4.3.
4.1.5. Propiedades de los Nanotubos de carbono ............................ 55
Electrónicas ......................................................................... 55 4.1.5.1.
Ópticas ................................................................................. 56 4.1.5.2.
Ignífugas. .............................................................................. 56 4.1.5.3.
Térmicas ............................................................................... 57 4.1.5.4.
Mecánicas............................................................................. 57 4.1.5.5.
Defectos en los nanotubos de carbono ............................. 59 4.1.5.6.
5. Implementación de Nanotubos de Carbono en el Concreto ................ 60
5.1.1. Resistencia Del Cemento .......................................................... 60
Hidratación de la pasta de Cemento Pórtland ................... 61 5.1.1.1.
Propiedades mecánicas del concreto ................................ 63 5.1.1.2.
Nanotubos De Carbono Como Refuerzo En El Concreto . 63 5.1.1.3.
6. Diseño de mezclas de concreto con Nanotubos de carbono .............. 65
6.1. Desarrollo del experimento .............................................................. 65
6.1.1. Diseño de mezclas para concreto, por el método RNL
(Road Note Laboratory) ....................................................................... 65
Datos necesarios de los materiales para el diseño de 6.1.1.1.
mezcla de concreto. ......................................................................... 65
Proceso de dosificación del concreto ............................... 66 6.1.1.2.
Tabla resumen Diseño de Mescla por el método NRL ..... 80 6.1.1.3.
6.1.2. Dispersión de los nanotubos de carbono en el agua. ............ 81
6.1.3. Equipos para elaboración del concreto con nanotubos de
carbono ................................................................................................. 81
Tamices ................................................................................ 81 6.1.3.1.
Probeta ................................................................................. 81 6.1.3.2.
Balanza ................................................................................. 81 6.1.3.3.
Vibrador mecánico para mallas .......................................... 81 6.1.3.4.
Charolas ............................................................................... 81 6.1.3.5.
Palustre ................................................................................ 82 6.1.3.6.
Máquina para compresión .................................................. 82 6.1.3.1.
6.1.4. Preparación de las muestras .................................................... 82
6.1.5. Materiales necesarios ................................................................ 82
Arena .................................................................................... 82 6.1.5.1.
Grava .................................................................................... 82 6.1.5.2.
Agua ...................................................................................... 83 6.1.5.3.
Nanotubos de carbono de múltiple pared ......................... 83 6.1.5.4.
Lubricante o desmoldante .................................................. 83 6.1.5.5.
Cemento ............................................................................... 83 6.1.5.6.
6.1.6. Ensayo a compresión ................................................................ 83
6.2. Resultados obtenidos ...................................................................... 83
CONCLUSIONES ............................................................................................. 86
ANEXOS ........................................................................................................... 90
BIBLIOGRAFIA .............................................................................................. 103
17
LISTA DE TABLAS
Tabla 1: Propiedades NTC de pared simple con otros materiales ............................... 58 Tabla 2: Resistencia del concreto a la compresión en función del tiempo ................... 63 Tabla 3: Granulometría de los Agregados .................................................................. 66 Tabla 4: Propiedades de los agregados pétreos del diseño de mezclas. .................... 66 Tabla 5: Valores de asentamiento para diversas clases de construcción. ................... 67 Tabla 6: Contenido aproximado de aire en el concreto para varios grados de
exposición................................................................................................................... 68 Tabla 7: Requerimiento aproximado de agua de mezclado y contenido de aire para
asentamientos y TMN del agregado. .......................................................................... 69 Tabla 8: Relación entre la resistencia a la compresión y algunos calores de la relación
a/c. ............................................................................................................................. 70 Tabla 9: Verificación de las especificaciones granulométricas .................................... 71 Tabla 10: Rango granulométrico recomendando ........................................................ 72 Tabla 11: Porcentaje pasa con límites para método NRL ........................................... 73 Tabla 12: Resultados (% pasa) optimizado Por método Grafico RNL. ........................ 75 Tabla 13: Volumen de agregados en m3 para 1 m3 de concreto ................................ 75 Tabla 14: Cantidad de agregados para 1 m3 de concreto de 3000 PSI. ..................... 77 Tabla 15: cantidad de material para 1 m3 de concreto de 3000 PSI de resistencia. –
ajustado. ..................................................................................................................... 79 Tabla 16: Propiedades de los Nanotubos de Carbono de Múltiple pared (NTC). ........ 83 Tabla 17: Resultados ensayo compresión de cilindros 28 días ................................... 84 Tabla 18: Ventajas y Desventajas del uso de Nanotubos de Carbono en Concreto .... 85 Tabla 19: Granulometría agregado Grueso optimizada............................................... 92 Tabla 20: Granulometría agregado fino optimizado. ................................................... 92 Tabla 21: Datos obtenidos peso específico Agregado Grueso .................................... 93 Tabla 22: Resultados Peso específico y absorción agregado Grueso. ........................ 93 Tabla 23: Resultados de laboratorio agregado fino peso específico ........................... 94 Tabla 24: Resultados Peso específico y absorción Agregado Fino ............................. 94 Tabla 25: Datos necesarios de los materiales para masas unitarias. .......................... 96 Tabla 26: Resultados masas unitarias de agregados. ................................................. 96 Tabla 27: Resultados de laboratorio en Maquina de los Ángeles ................................ 98 Tabla 28: Datos de laboratorio Micro-Deval ................................................................ 99 Tabla 29: Resultado abrasión Micro-Deval ................................................................. 99 Tabla 30: Resultados aplanamiento y alargamiento .................................................... 99 Tabla 31: Resultados aplanamiento y alargamiento de agregados Gruesos ............. 100
18
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1: (A) nano tubos de pared simple SWNT y (B) nano tubos de doble pared
MWNTs ...................................................................................................................... 43 Ilustración 2: esquema de reactor térmico CVD, por sus características operativas. .. 45 Ilustración 3: esquema del método de ABLACION utilizado por Smalley en 1995 ...... 47 Ilustración 4: Detalles del equipo utilizado en el método por arco. .............................. 48 Ilustración 5: Detalle del equipo usado en la elaboración de NTC por arco eléctrico .. 49 Ilustración 6: Hoja de grafeno y sus posibles opciones de generar un nanotubo de
carbono ...................................................................................................................... 50 Ilustración 7: Representación de un nanotubo de carbono de pared simple (monocapa)
................................................................................................................................... 51 Ilustración 8: Representación de nanotubo de carbono multicapa, se identifica cada
tubo con diferente color .............................................................................................. 52 Ilustración 9 : Se le llaman zig-zag por la terminación del nanotubo de carbón con ese
diseño ......................................................................................................................... 53 Ilustración 10: se le llama nanotubo armchair por la forma que termina, que significa en
español '' sillón '' ......................................................................................................... 54 Ilustración 11: La característica de nanotubos quiral es su terminación de forma
irregular. ..................................................................................................................... 55 Ilustración 12: Ilustración de los defectos posibles en nanotubos de carbono ............. 59 Ilustración 13: Evolución de calor en función del tiempo para el Cemento portland .... 61 Ilustración 14: Secuencia de la hidratación del cemento ............................................. 62 Ilustración 15: Optimización Granulometría por Método Grafico RNL ........................ 74 Ilustración 16: Resistencia a la compresión a 28 días referencia y con adición de NTC
................................................................................................................................... 84 Ilustración 17: Colorimetría del agregado fino ............................................................. 97
19
LISTA DE ECUACIONES
Ecuación 1: Vector quiral ( ) ...................................................................................... 50
Ecuación 2: Cantidad de Cemento, usando el agua y la relación a/c. ......................... 70 Ecuación 3: Volumen Agregados Pétreos en el concreto. ........................................... 75 Ecuación 4: Densidad promedio de agregados pétreos .............................................. 76 Ecuación 5: Peso seco del agregado grueso .............................................................. 76 Ecuación 6: Peso Seco del agregado Fino ................................................................. 76 Ecuación 7: Corrección peso seco a húmedo ............................................................. 77 Ecuación 8: Agua en exceso o en defecto respecto a la condición SSS ..................... 78
20
LISTA DE ANEXOS
Anexo A: Estructura de los nanotubos de carbono vista bajo microscopio electrónico.
9090
Anexo B: Incorporación de nanotubos de carbono de forma manual directamente en la
mezcla.
9191
Anexo C: Ensayos necesarios a los agregados para el desarrollo del diseño de
mezclas.
92
Anexo D: Análisis de Precios Unitarios (APU) Para concreto 3000 PSI un Cilindro de 10x20 (Diámetro x Altura)
101
21
RESUMEN
La nanotecnología es un tema que ha legado a incursionar en el ámbito de la construcción, el concreto es una serie de nano partículas que se conglomeran para formar una matriz fuerte y rígida capaz de soportar esfuerzos grandes. El uso de nano tubos de carbono en la matriz de concreto para mejorar sus propiedades físicas como lo es su resistencia a la compresión, este es el tema principal que se tratara en este documento, la incorporación de nanotubos de carbono a la mezcla de concreto y los efectos que este tenga. Para lo cual se harán 9 muestras de las cuales se tendrá 3 muestras de referencias, 3 más con un 0.5% de nanotubos con respecto al volumen de cemento y otras 3 con 0.3% de nanotubos, se incorporan de manera directa al momento del mezclado, luego se observara paso a paso que sucede con la mezcla de concreto, y determinar qué efectos tiene el agregar nanotubos de carbono de forma directa al concreto fresco, se tendrá cuidado en el curado durante 28 días manteniendo una temperatura constante y en agua limpia. En los dos casos de la adición se encontró mejoría en la resistencia a la compresión, dándonos valores positivos para la implementación a futuro de nanotubos de carbono en concretos súper resistentes.
22
INTRODUCCION
El concreto es uno de los materiales más comunes en las construcciones de
edificaciones, y demás estructuras que requieren del mismo, cada vez más
exigentes, necesitan materiales de alto desempeño, que satisfagan las
necesidades de los diseñadores de manera eficaz y económica, por lo cual el
concreto al ser uno de los materiales más usados en los proyectos de obras
civiles, se hace necesaria la investigación para mejorar sus propiedades tanto
físicas como químicas.
Hoy en día la necesidad de construir mayor número de viviendas, edificaciones y estructuras que necesitan concreto es muy alta, por lo cual mejorar y optimizar los materiales será una necesidad básica en el futuro. El concreto al ser uno de los materiales mayormente usados en las construcciones civiles, está cambiando de ser una simple materia prima para las edificaciones y se convierte en un material inteligente capaz de mejorar cualquier tipo de construcción. El punto crítico para capacidad y durabilidad de los concretos está dada por la organización y estructura de las nanoparticulas que lo conforman, con lo cual la adición de estos a mezclas de concreto logra una mejor respuesta cuando son puestos bajo esfuerzos. En la actualidad se ha reconocido el uso de nano partículas como adiciones para mejorar las propiedades del concreto, dentro del grupo de nanoparticulas se le ha dado bastante interés al grupo de nanotubos de carbón. Para mejorar sus propiedades mecánicas del concreto se hacen uso de adiciones y aditivos, logrando mejorarlo en su estado fluido como endurecido, para mejorar estas propiedades se pueden utilizar nano materiales en este caso se usaran nanotubos de carbono siendo este nuestro tema principal de este trabajo. Los nanotubos de carbono son estructuras en forma de tubo o cilindros de medida manométrica que pueden ir de 2 nm hasta 550 nm de longitud. Se pueden encontrar varios tipos de nanotubos de carbono si detallamos como está conformado los nanotubos hay dos grupos principales que se dividen en nanotubos de pared simple y nanotubos de pared múltiple estos últimos serán los que se utilizara en este trabajo, los de pared simple son más costosos por la dificultad para sintetizarlos con lo cual se optara en utilizar nanotubos de pared múltiple que consiste en múltiples tubos o cilindros uno dentro de otro. Se adicionara nanotubos de carbono de pared múltiple al concreto de forma manual para conocer que tendrá en las propiedades mecánicas de resistencia a compresión
23
IDENTIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
En las construcciones civiles el concreto está compuesto básicamente de
Cemento, agua, grava, arena, pero actualmente se pueden incorporar muchos
más materiales tales como acelerantes, plastificantes, fibras y muchos más que
causan que el concreto mejore su comportamiento como su manejabilidad
durante su vaciado y sus propiedades físicas al ser sometido a cargas.
En la última década el avance de la tecnología ha sido clave en la optimización
de los materiales y la búsqueda necesaria para mejorar el concreto. La
nanotecnología se está tomando muy enserio y ya es claro que en ella se
encuentra el futuro de nuestros materiales, la utilización de nanotubos de
carbono en el concreto genera la necesidad de investigar para conocer su
comportamiento y posibles aplicaciones en las edificaciones, conocer nuevas
investigaciones y propiedades que ya se han desarrollado, aprovechándolas
para impulsarnos a realizar un concreto súper resistente y eficiente.
El concreto puede ser reforzado de múltiples maneras, fibras de polímeros,
varillas de acero, pero a nivel molecular estos elementos de refuerzo no forman
una matriz homogénea que trabaje de manera monolítica al ser sometido a
cargas, pueden encontrarse fisuras y la no unión entre el concreto y los
materiales de refuerzo perdiendo desempeño y durabilidad.
Este estudio pretende determinar los efectos que conlleva el uso de nanotubos
de carbono en el concreto y el mejoramiento de sus propiedades físicas como
lo es su resistencia a la compresión.
¿Los efectos en el concreto por el uso de nanotubos de carbono mejoran las
propiedades mecánicas de resistencia a compresión, que efectos trae el uso de
NTC en el concreto?
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JUSTIFICACIÓN
Las necesidades que se encuentra el concreto con respecto a las
construcciones hoy en día es generar un mejor desempeño, aumentando su
capacidad para soportar la fatiga a la que es sometido durante su vida útil, esto
toma más relevancia que la capacidad de carga a la cual será sometido.
El descubrimiento de los nanotubos de carbono ha causado furor en el mundo
de la investigación de los nuevos materiales por sus propiedades interesantes,
dando un paso importante en la creación de productos con capacidades únicas.
Actualmente el interés en la nanotecnología ha aumentado exponencialmente y
muchas empresas a nivel mundial han puesto sus ojos en los nano materiales,
siguiendo con mucho recelo los avances que se realicen por la competitividad y
ventajas que pueda tener esto en el mejoramiento de sus productos y aumento
de sus economías.
Actualmente se está estudiando la implementación de nanotubos de carbono
en el concreto, buscando un mejoramiento en su capacidad para soportar
cargas y esfuerzos a los cuales es sometido normalmente en una construcción,
la implementación de este material en el concreto puede llegar a crear un
concreto capaz de soportar grandes cargas y esfuerzos, con un volumen menor
del concreto convencional, adicionando también propiedades de los nanotubos
al concreto mismo.
Las múltiples propiedades de los nanotubos de carbono lo cual se puede
aprovechar para beneficiar el mejoramiento de las propiedades físicas del
concreto, al estar manejando materiales de medidas nanometricas se está
mejorando directamente la estructura molecular del cemento , dando como
resultado un aumento en sus propiedades físicas como resistencia a la
compresión, flexibilidad y rigidez aumentando su durabilidad o vida útil,
buscando un mejor comportamiento del concreto, capaz de reducir su
porosidad y controlando las micro-grietas que se puedan generar en el
concreto ya sea por temperaturas externas o por su mismo proceso de
fraguado.
El punto clave para el mejoramiento de las propiedades del concreto está en
sus partículas a nivel nanometrico, al intervenir estas partículas con adiciones
de nanotubos de carbono podemos reforzar y mejorar su estructura molecular,
aumenta su resistencia a la compresión reduciendo los elementos estructurales
de tamaño, su durabilidad y reduciendo las labores de mantenimiento.
Mejorar el concreto con nanotubos de carbón, nos dará como garantía mejores resultados en aumentar su resistencia a la compresión y así directamente mejoramos la vida útil del concreto, siendo capaz de reducir el volumen a usar con una mayor resistencia, dándole mayor autonomía disminuyendo su mantenimiento.
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HIPOTESIS
Se mejorara la resistencia a la compresión de un concreto tradicional por ser
esta una de las principales propiedades mecánicas para evaluar concretos con
cemento Portland.
La adición de nanotubos de carbono con un diámetro de 10 a 30 nano
milímetros teniendo como patrón de referencia cilindros con resistencia a la
compresión de 3000 PSI. Con el fin de ser parte de las súper estructuras que
nos exigen mejores propiedades de los concretos que actualmente se utilizan,
también complementándose con otros refuerzos y formar una matriz
cementante de mayores capacidades y durabilidad.
VARIABLES
Se utilizaran variables dependientes e independientes en el trabajo de
investigación para designar cualquier característica de la realidad que pueda
ser determinado por observación y que pueda mostrar diferentes valores de
una unidad de observación a otra.
La variable dependiente es el concreto a realizar puesto que la resistencia,
característica de este mismo está ligada a la cantidad de adición que se
estableció y se desea agregar al diseño de mezcla, de esta manera
designamos la adición de nano tubos de carbono como la variable
independiente, teniendo presente que esta variable no será constante en toda
la cantidad de cilindros, esto con la finalidad de establecer que proporción sea
la más adecuada en el diseño de mezcal y también observar el comportamiento
de esta adición en pocas y grandes cantidades. De esta manera se decidió que
esta variable independiente en un caso sea 0.3 % y 0.5 % con respecto al peso
del cemento.
26
OBJETIVOS
Objetivo General:
Diseño de mezcla de concreto para y adicionar nanotubos de carbono
para mejorar sus propiedades mecánicas de resistencia a compresión.
Objetivos Específicos:
Determinar las ventajas y desventajas del uso de los nanotubos de
carbono, de acuerdo con la información de investigaciones existentes.
Determinar si mejora o no la resistencia a compresión del concreto
mejorado con nanotubos de carbono.
Conocer la diferencia entre un concreto con nanotubos y otro sin
nanotubos de carbono.
Conocer cuánto es capaz de mejorar las propiedades físicas del concreto cuando se adicionan nanotubos de carbono.
Se realizaran ensayos a compresión a las muestras echas con nanotubos de carbono y sin nanotubos de carbono, no se medirán otro esfuerzos y más ensayos por limitaciones de las cantidades obtenidas de nanotubos de carbono, por lo cual queda abierta esta investigación a poder ser sometido a nuevos ensayos en cursos más avanzados para conocer más a fondo el comportamiento y la reacciones que pueda tener el mejoramiento del concreto con nanotubos de carbono.
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ALCANCES
Analizar el uso de Nanotubos de carbono como refuerzo para mejorar las propiedades mecánicas del concreto. Estudiar le procedimiento correcto para implementar los nanotubos de carbono en una mezcla de concreto. Conocer los posibles efectos colaterales al adicionar nanotubos de carbono a la
mezcla de concreto.
Comparar los resultados de esfuerzo a compresión de cilindros de prueba elaborados con una mezcla de concreto mejorada con nanotubos de carbono y una muestra sin nanotubos de carbono.
28
DISEÑO METODOLOGICO
Tipo de investigación
El tipo de investigación es cuantitativa ya que busca calcular los datos en los
que generalmente se aplica algún tipo de análisis estadístico. Emplea
conceptos preconcebidos y teorías para determinar qué datos van a ser
recolectados.
Al ser un método deductivo necesita apoyarse en experimentos para así lograr
la recolección de datos, de la misma manera trabaja bajo una realidad
observable, medible y que pueda ser percibida de una manera precisa
buscando que esta investigación demuestre la hipótesis planteada y
estableciendo con seguridad relaciones de causa y efecto.
Dentro de la investigación cuantitativa se desarrollara una investigación
experimental con el propósito de determinar de la manera más confiable
posible relaciones de causa efecto, para esto se requiere la manipulación de
variables o factores experimentales, de control o procedimientos estadísticos al
azar.
En la manipulación de variables independientes el investigador decide los
niveles que corresponderán a cada grupo de sujetos. La variable se manipula
con diferentes niveles que asigna el investigador. Es muy importante que las
asigne éste. La medición de variables dependientes. Los fenómenos que serán
valores pueden ser consignados con variables numéricas. Es imprescindible
que la variable sea en forma numérica.
Para ello habrá la necesidad de que haya dos grupos como mínimo para
establecer comparaciones. Por lo tanto nos dice que no se puede llevar a cabo
con un sólo grupo de sujetos y una única condición experimental. Este método
implica comparar el efecto de una condición entre dos grupos o más.
Población
La población que se estableció es el cemento portland ya que en los últimos
años se ha incursionando con diferentes materiales para desarrollar una
variedad de adiciones buscando mejorar sus propiedades, en particular las
fuerzas a la que se ven sometidos algunos concretos como: compresión,
tracción, flexión y tensión. De esta manera se tratara de simular condiciones de
obra en los laboratorios a realizar.
Muestra
De esta manera frente a este universo poblacional se establecieron
características y términos para definir una muestra y los pasos que se deben
seguir en la selección tanto de estudios cuantitativos y cualitativos para un
estudio determinado, por lo tanto se ha considerado por lo delicado de la
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problemática una muestra de un concreto tradicional de media pulgada con
resistencia de 3000 PSI sometido a una fuerza de compresión en laboratorio.
En la planificación del muestreo calculamos el tamaño de la muestra que en
este caso son cilindros con diámetro de 10 centímetros y altura de 20
centímetros, ya definida esa parte se decide la cantidad de muestras
necesarias para realizar un cálculo promedio y obtener un valor con el cual se
va a dar validez a la hipótesis planteada, la compactación será ejecutada
manualmente con varilla metálica estándar.
Las técnicas utilizadas para la recolección de datos ha sido el seguimiento a
tesis, monografías, investigaciones y expertos que se han encargado de
abordar el tema, así mismo los procedimientos están basados en laboratorios
los cuales nos permitieron determinar y calcular la información necesaria para
el diseño de mezcla. De igual manera en el procesamiento de datos se
presentan cuadros donde se plantea procedimientos y los resultados en cada
caso.
30
1. MARCOS DE REFERENCIA
1.1. Marco de Antecedentes
NANOTUBOS DE CARBONO EN EL HORMIGON PARA MEJORAR
PUENTES Y OTRAS OBRAS CIVILES
RAFAEL CASTRO TRIGUERO
INGENIERO CIVIL; INGENIERO INDUSTRIAL
INVESTIGADOR DE LA UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA (ESPAÑA)
Las infraestructuras viarias permiten superar obstáculos naturales. Por
ejemplo, donde hay una depresión en el terreno, un puente la salva.
Aunque se construyen con afán de pervivencia, las condiciones
meteorológicas y el tráfico motivan un desgaste en sus materiales. Un
Proyecto Nacional de Investigación, en el que participa el investigador
de la Universidad de Córdoba Rafael Castro, estudia la incorporación de
nanotubos de carbono a la construcción de obra civil con el fin de
hacerlas más duraderas y más controlables de forma remota, en
definitiva, convertir estas estructuras en lo que se denomina estructuras
inteligentes. Para ello, acaba de describir en un artículo recientemente
publicado parte del comportamiento de estos nanotubos. El objetivo es
conocer de forma amplia las propiedades electromecánicas de los nanos
materiales para, posteriormente, emplearlos en construcciones como por
ejemplo viaductos ferroviarios.
EFECTO HÍBRIDO DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO Y LA NANO
SÍLICE SOBRE LAS PROPIEDADES MINERALÓGICAS Y
MECÁNICAS DE MORTEROS DE CEMENTO PORTLAND.
OSCAR AURELIO MENDOZA REALES
INGENIERO CIVIL
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, MEDELLÍN
Tesis presentada como requisito parcial para optar al título de: Magister
en Ingeniería de Materiales y Procesos
En este trabajo se estudió el efecto híbrido de los nanotubos de carbono
y la nano sílice sobre las propiedades mineralógicas y mecánicas de
morteros de cemento portland. Se caracterizó el proceso de dispersión
de los nanotubos de carbono en agua usando super-plastificante como
agente dispersante y se identificaron fenómenos de reaglomeración de
los nanotubos debido a la presencia de Ca (OH)2 en el medio.
31
ADICIÓN DE NANO PARTÍCULAS AL CEMENTO PORTLAND.
JORGE IVÁN TOBÓN - Profesor Asociado, Universidad Nacional de
Colombia
OSCAR JAIME RESTREPO BAENA - Profesor Asociado,
Universidad Nacional de Colombia
JORGE JUAN PAYÁ BERNABEU - Profesor Titular, Universidad
Politécnica de Valencia – España
REVISTA DE INGENIERIA DYNA
En este artículo se presenta la revisión del estado del arte sobre la
adición de nano partículas al cemento Portland. Se muestra cómo la
nanotecnología está empezando a llegar a este material de construcción
buscando generar hormigones de alto desempeño y cómo varios
investigadores han incorporado algunos tipos de partículas
manométricas para evaluar fundamentalmente el desempeño físico y
mecánico de los cementos adicionados con éstas contra cementos con
adiciones de comportamiento más conocido como el humo de sílice,
escorias de alto horno y las cenizas volantes.
NANOTUBOS DE CARBONO EN CONCRETO DE CEMENTO
PORTLAND. INFLUENCIA DE LA DISPERSIÓN EN LAS
PROPIEDADES MECÁNICAS Y EN LA ABSORCIÓN DE AGUA.
C. G. N. Marcondes
Universidad Pontificia Católica de Paraná (PUCPR), Brasil
M. H. F. Medeiros, J. Marques Filho.
Departamento de Construcción Civil, Universidad Federal de
Paraná (UFPR), Brasil.
P. Helene
Universidad de São Paulo (USP), Brasil.
Revista de la Asociación Latinoamericana de Control de Calidad,
Patología y Recuperación de la Construcción
Revista ALCONPAT, Volumen 5, Número 2, Mayo - Agosto 2015,
Páginas 97 – 114
Los nanotubos de carbono (NTC) son estructuras de carbono que se
obtienen en forma cilíndrica de escala nanométrica. Este artículo
presenta una evaluación de la adición de NTC en hormigón de cemento
Portland, centrándose en la importancia de llevar a cabo la dispersión de
los NTC en el agua con el uso del ultrasonido antes de su incorporación
en la masa de hormigón. Para ello, tres mezclas de hormigón se
prepararon con un NTC libre (referencia) y dos NTC (con una serie
previa de dispersión en agua y el aditivo con el uso de ondas
ultrasónicas y otras sin dispersión). A continuación, se analizó las
propiedades de fluidez, resistencia a la compresión, tracción y la
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absorción del agua. El NTC añadió contenido de 0,30% a respecto de la
masa de cemento. En todos los casos, la dispersión previa de NTC
usando ultrasonido potenció el efecto de la adición de nanotubos de
carbono, siendo importante para la eficiencia de este material cuando se
añade al cemento.
1.2. Marco Conceptual
1.2.1. Descubrimiento
1889. El primer antecedente descrito sobre la producción de filamentos
carbonosos a partir de vapor se debe a Hugues y Chambers, que
patentaron en EE.UU un procedimiento para la fabricación de filamentos
de carbono utilizando como gases precursores hidrógeno y metano en
un crisol de hierro.
En 1952 y L. V. Radushkevich y V. M. Lukyanovich, publicaron imágenes
claras de 50 tubos de carbono de diámetro nanométrico en el diario
oficial de química física en la Unión Soviética. Este descubrimiento fue
en gran medida inadvertido, ya que el artículo fue publicado en idioma
ruso, los científicos occidentales y el acceso a la prensa soviética, fue
hecho casi imposible durante la guerra fría.
1953. Con el desarrollo del microscopio electrónico, Davis, Slawson y
Rugby describen la producción unos filamentos entre 100 y 200 nm, de
forma helicoidal, a partir de la desproporción de CO catalizada por hierro
a 450ºC, permaneciendo éste en la punta de los filamentos
1958. Hillert y Lange realizan una exhaustiva caracterización estructural
de estos filamentos, corroborando la presencia de una partícula metálica
en la punta
1970s. En esta década comienza a estudiarse de forma exhaustiva la
generación de filamentos de carbono por procesos catalíticos, a partir de
distintos precursores (hidrocarburos o CO) y usando como catalizadores
diversos metales (Fe, Co, Ni, etc.).
En 1981 un grupo de científicos soviéticos publicó los resultados de la
estructura química y caracterización de las nanoparticulas de carbono,
producido por una desproporción termo-catalítica de monóxido de
carbono. Usando imágenes TEM y patrones de XRD, los autores
sugirieron que sus "cristales tubulares de carbono multicapa”, fueron
formados mediante el enrollamiento de capas de grafito en forma de
cilindros
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En 1987, le fue entregada una patente de los EE.UU. a Howard G.
Tennent de Hyperion Catálisis, por la producción de “fibrillas discretas
cilíndricas de carbono", con un diámetro de entre 3.5 y alrededor de 70
nanómetros. En el año 2006 un artículo escrito por Marc Monthioux y Vladimir
Kuznetsov en el “Carbón Journal”, describe el interesante y a menudo
erróneo origen de los nanotubos de carbono. Un elevado porcentaje de
universitarios y de literatura popular, atribuye el descubrimiento de tubos
huecos de carbono compuestos de grafito a Sumio Iijima de NEC en
1991.
Pueden distinguirse 3 tipos de estructura de nanotubo, dependiendo de la
forma como se produzca el cierre de la lámina de grafeno para formar el
cilindro:
• En sillón – se cierra por los vértices de los hexágonos – la línea axial del
cilindro pasa por un vértice de cada hexágono sucesivo.
• En zig-zag – se cierra por los lados de los hexágonos – la línea axial del
cilindro pasa por un lado de cada hexágono alterno.
• Quiral – es la forma más común; hay inclinación, menor simetría y, como
consecuencia, dos formas enantioméricas – la línea axial forma un ángulo con
cualquier línea que una sucesivos átomos equivalentes en los hexágonos.
Milímetro: 1 mm = 1 000 000 nm
Micrómetro: 1 µm = 1000 nm
Angstrom: 1 Å = 1/10 nm
Picómetro: 1 pm = 1/1000 nm
1.2.2. Nanotecnología
La palabra "nanotecnología" se usa extensivamente para definir las ciencias y
técnicas que se aplican al nivel de nanoescala, esto es, medidas
extremadamente pequeñas, "nanos" que permiten trabajar y manipular las
estructuras moleculares y sus átomos. En síntesis conduciría a la posibilidad de
fabricar materiales y máquinas a partir del reordenamiento de átomos y
moléculas.
El desarrollo de esta disciplina se produce a partir de las propuestas de Richard
Feynman quién es considerado el padre de la "nanociencia", premio Nóbel de
Física, quién en 1959 propuso fabricar productos en base a un reordenamiento
de átomos y moléculas.
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Los nanomateriales son materiales con propiedades morfológicas más
pequeñas que un micrómetro en al menos una dimensión. A pesar del hecho
de que no hay consenso sobre el tamaño mínimo o máximo de un
nanomaterial, algunos autores restringen su tamaño de 1 a 100 nm, una
definición lógica situaría la nanoescala entre la microescala (1 micrómetro) y la
escala atómica/molecular (alrededor de 0.2 nanómetros).
1.3. Marco Teórico
El concreto es un material muy utilizado en la actualidad y el más común en las
construcciones de edificaciones, el concreto es considerado hoy en día como
un material común en las construcciones de edificaciones, y demás estructuras
que requieran del mismo, por lo cual se ha llevado a una investigación ardua en
el uso de aditivos para mejorar su comportamiento mecánico y químico, el uso
de aditivos en el concreto hoy en día es un tema bastante extenso y de mucho
cuidado.
La implementación de aditivos y adiciones en el concreto ha llevado a que el
concreto se convierta en un material muy versátil capaz de generar diversos
resultados de acuerdo a las necesidades que se tengan en la construcción a
realizar. La importancia de estos es que son capaces de crear un concreto con
mejor trabajabilidad sin necesidad de aumentar la cantidad de agua, acelerar o
retrasar el tiempo de fraguado, reduciendo su segregación entre otras
propiedades que han hecho del concreto un material muy manejable y
ampliando la capacidad de ser utilizado en muchos escenarios que en un el
principio del concreto no se hubieran considerado posibles.
Las adiciones al concreto van de fibras metálicas o sintéticas, minerales como
puzolanas entre otros, de esta manera se empieza la investigación de
adiciones en el concreto, y la utilización de nanotecnología en el concreto como
es la incorporación de nanotubos de carbono a la mezcla de concreto.
Los nanotubos de carbono son una forma alotrópica o diferente del carbono, se
podría explicar para entenderlo como láminas de grafeno enrolladas, creando
un cilindro hueco de diversas longitudes, la longitud de los nanotubos no se
puede definir como exacta pues puede cambiar de unos cuantos nanómetros
hasta 5 centímetros o más, lo cual depende del método de fabricación. Sus
múltiples aplicaciones y posibilidades que tienen hacen de este un material
muy tentador para mejorar las propiedades del concreto e incluso adicionarle.
La manera en la cual están organizados los átomos de los nanotubos de
carbono hace que sean muy fuertes y flexibles, siendo de 10 a 100 veces más
fuertes que el acero por unidad de peso, esta es una de las propiedades que
más interesan al momento de ser usados para mejorar las propiedades físicas
del concreto.
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En países como Brasil se logró un cemento con nanotubos de carbono en el
año 2008 lo llamaron “El súper cemento” siendo una mezcla de Clinker, caliza
cocida y nanotubos de carbono, cabe aclarar que se realizó el proceso al
cemento, materia principal cementante para generar el concreto.
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2. NANOTECNOLOGÍA EN COLOMBIA
La nanotecnología en Colombia es prácticamente nueva, unos cuantos años
atrás el estudio de nanotecnología se considera mínimo de aspecto casi
individual, de investigadores que les gustara estos temas, en aspecto de
gobierno o entidades que colaboraran en esta nueva rama que empieza a
surgir en Colombia era muy limitada casi nula.
En Colombia se puede decir que hasta el 2004 se toma la implementación de la
nanotecnología en investigaciones, esto sucede gracias a que Colciencias
entidad encargada de fomentar la ciencia, tecnología y la innovación en
Colombia, añade como una de sus áreas estratégicas para el desarrollo de la
investigación, dándole el nombre de “Nanotecnología y Materiales Avanzados”.
El instituto de ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), fue quien creo el
concejo nacional de Nanociencia y nanotecnología en el año 2005, después de
ser creado se hace una red de investigación y desarrollo de nanotecnociencia
en entidades educativas como “Universidad Javeriana, Universidad de San
Buenaventura, Universidad del Bosque, Universidad Distrital, y Universidad
Santo Tomás”.
Se contempla de manera importante la aplicación y desarrollo de las
tecnologías convergentes en nuestro país, en universidades la implementación
de una asignatura de nanotecnología, esta se presenta en algunos programas
de pregrado como ingenierías, física y química, a nivel superior
especializaciones, maestrías y doctorados en diversas carreras y áreas.
Colciencias afirma que para el año 2006 había un 48 programas que ofrecían
una oferta educativa con relación al tema nanotecnología. 42% para programas
universitarios de pregrado, 10% para especializaciones, 38% para maestrías y
un 10% en doctorados.
No podemos afirmar que estos datos sean lo que sucede en realidad, pues lo
que más se contempla en ámbitos de educación en Colombia son física,
ciencia físicas e ingeniería física, siendo la física la oferta educativa a presentar
en cambio la nanotecnología no sale directamente en programas educativos, lo
cual nos lleva a dejar en segundo plano una temática muy importante para el
desarrollo de nuevos materiales y optimización de muchos procesos actuales.
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2.1. Principales grupos de investigación1
En la investigación realizada, se han identificado hoy en día tres entes
principales entre instituciones y grupos de investigación que lideran el
desarrollo en nanotecnología en Colombia y que son referentes obligatorios,
éstos se presentan a continuación. (CENM)
Es el Centro de Excelencia en Nuevos Materiales, hace parte de un esfuerzo
de la nación y fue producto de una convocatoria para la creación de centros de
investigación de excelencia catalogada como alta prioridad con el apoyo de
COLCIENCIAS. Involucra grupos de investigación de 10 universidades
colombianas y 4 diferentes entidades internacionales, 3 de Estados Unidos y 1
de Chile.
Entre las actividades que realiza el centro, está la redacción de artículos
científicos que se encuentran para libre difusión, estudios de prospectiva,
realización de eventos, capacitaciones y desarrollo de proyectos. También se
debe resaltar que el centro cuenta con una variedad de equipos de laboratorio
y personal altamente calificado, por lo tanto es un impulsor clave en el tema de
la nanotecnología en Colombia.
Las universidades colombianas que se encuentran asociadas al CENM son:
Universidad del Valle, Universidad del Norte, Universidad Industrial de
Santander, Universidad de Antioquia, Universidad del Quindío, Universidad del
Tolima, Universidad Nacional de Colombia, Universidad Autónoma de
Occidente, Universidad Tecnológica de Pereira y Universidad del Cauca.
___________________
1(En línea) Archivo Digital: Nanotecnología en Colombia, Disponible en:
http://nanotech-col.blogspot.in/p/nanotecnologia-en-colombia.html
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3. USOS Y APLICACIONES DE LA NANOTECNOLOGÍA2
3.1.1. Nanotecnología aplicada a la administración de fármacos
Dentro de las posibilidades de administración de fármacos, ha surgido la
posibilidad de utilizar la nanotecnología como un sistema de liberación del
principio activo. En general los vehículos utilizados para administrar un
fármaco, deben ser de baja toxicidad, con propiedades óptimas para el
transporte y liberación y vida media larga. Ejemplos de nanosistemas son:
micelas, liposomas, dentrímeros, nanopartículas, nanotubos y bioconjugados
En los últimos años se han desarrollado dispositivos implantables de
distribución de fármacos. La principal función de esta nueva tecnología es la
administración controlada de fármaco durante varias semanas a meses, de
acuerdo las necesidades terapéuticas de un paciente individual. Terapias a
largo plazo pueden ayudar a mejorar el cumplimiento y la adherencia de los
pacientes a los tratamientos farmacológicos. Los dispositivos implantables
utilizan una estrategia on demand de los agentes terapéuticos y algunas
tecnologías ayudarían a controlar la liberación de manera remota, mediante
radiofrecuencia, energía de ultrasonido y de campos magnéticos, se podrían
activar y controlar las administraciones. A pesar del gran número de estudios
reportados acerca de los dispositivos médicos auto-regulados y de los
esfuerzos tecnológicos, no se ha logrado probar los beneficios de este tipo de
tecnologías.
3.1.2. Nanotecnología aplicada a la terapia del cáncer
Uno de los aspectos más desafiantes en las terapias que existen contra el
cáncer, es la especificidad de los tratamientos. Esto podría conducir a reducir
los efectos tóxicos que se generar luego de administrar las terapias
anticancerígenas. Además de esta posibilidad, podría mejorarse la solubilidad y
biodisponibilidad de fármacos que son pobremente solubles.
Debido a estas necesidades, han surgido algunas investigaciones que utilizan
nanotransportadores (liposomas, micelas poliméricas y nanoparticulas
poliméricas) para la preparación de nuevas formulaciones que mejoran la
biodisponibilidad de estos tratamientos y mejoran la distribución del fármaco
anticancerígeno en el sitio del tumor. Dentro de los factores que se consideran
del tipo fisicoquímicos, se encuentra el potencial Z, el tamaño de partícula, la
carga catiónica de la superficie y la solubilidad.
___________________
2(En línea) Archivo Digital: La Nanotecnología Disponible en:
http://brayaguilar099nanotec.blogspot.in/2016/10/e-l-concepto-de-nanotecnologia-engloba.html
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3.1.3. Aplicaciones de la nanotecnología en el Medio Ambiente
Las aplicaciones de la Nanotecnología en el medio ambiente, involucran el
desarrollo de materiales, energías y procesos no contaminantes, tratamiento de
aguas residuales, desalinización de agua, descontaminación de suelos,
tratamiento de residuos, reciclaje de sustancias, nanosensores para la
detección de sustancias químicas dañinas o gases tóxicos.
3.1.4. Aplicaciones de la nanotecnología en la obtención de energía
Las aplicaciones de la Nanotecnología en sector energético, tiene relación con
la mejora de los sistemas de producción y almacenamiento de energía, en
especial aquellas energías limpias y renovables como la energía solar, o
basadas en el Hidrógeno, además de tecnologías que ayuden a reducir el
consumo energético a través del desarrollo de nuevos aislantes térmicos más
eficientes basados en nanomateriales. El aumento de la eficiencia de los
paneles solares y placas solares gracias a nanomateriales especializados en la
captura y almacenamiento de energía solar.
3.1.5. Nanotecnología aplicada en el agua
Unos cuantos problemas básicos crean grandes sufrimientos y tragedias para
la humanidad. Según un informe del Banco Mundial, el agua es una de las
grandes preocupaciones de las Naciones Unidas. Casi la mitad de la población
mundial no tiene acceso a un sistema básico de sanidad, y casi 1,5 billones de
personas no tienen acceso a agua limpia y potable.
De toda el agua consumida en el mundo, el 67% se utiliza para la agricultura y
el 19% para la industria. El uso doméstico cuenta por menos del 9%. La
fabricación molecular podría reemplazar a un gran porcentaje de la producción
industrial. Se podría trasladar gran parte de la agricultura a invernaderos. El
agua de uso doméstico se puede tratar y reciclar. Si se adoptasen estos pasos
se podría reducir el consumo del agua por al menos de 50% y, probablemente,
hasta por un 90%.
Enfermedades relacionadas con el agua suponen la causa de la muerte de
miles, tal vez decenas de miles de niños cada día. Todo esto se podría prevenir
con tecnología básica, tecnología que se puede fabricar de forma muy
económica si las fábricas son económicas y portátiles.
3.1.6. Nano tecnología aplicada a dispositivos nanoinformaticos
Usando nanotubos semiconductores, investigadores de varias empresas y
laboratorios han desarrollado circuitos de computación de funcionamiento
lógico y transistores, las puertas electrónicas lógicas de que están compuestos
los chips incrementando su velocidad, disminuyendo el consumo y aumentando
las prestaciones. El desarrollo de nanotransistores como las nanomemorias
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puede ser cruciales para absorber las crecientes e inmensas capacidades de
procesamiento y memoria que demandan los desarrollos multimedia, más aún
cuando se avizora que de acá a máximo diez años la tecnología actual de
semiconductores habrá agotado sus posibilidades de crecimiento. Usando
nanotubos semiconductores, investigadores de varias empresas y laboratorios
han desarrollado circuitos de computación de funcionamiento lógico y
transistores, las puertas electrónicas lógicas de que están compuestos los
chips. En agosto de 2004, en lo que es considerado un paso fundamental hacia
la computadora molecular, una compañía de sistemas de alta tecnología
mostró el primer circuito de ordenamiento lógico formado por nanotubos de
carbono. Las computadoras moleculares basadas en estos circuitos tienen el
potencial de ser mucho más pequeñas y rápidas que las actuales, además de
consumir una cantidad considerablemente menor de energía. En cuanto a los
transistores, un transistor a escala molecular tiene la misma capacidad que el
clásico transistor de silicio. Para el 2007 se espera estar fabricando chips
conteniendo mil millones de estos transistores, lo que le permitiría llegar a una
velocidad de 20 Ghz con la energía de un voltio.
3.1.7. Riesgos De la nanotecnología en el medio ambiente
Daños medioambientales colectivos derivados de productos no regulados. La
nanotecnología molecular permite la fabricación barata de aparatos y productos
con una potencia increíble. ¿Cuál será nuestra demanda para este tipo de
productos? ¿Qué daños medioambientales podrán causar?
El potencial de posibles daños es inmenso, desde daños causados a animales
por aviones supersónicos personales volando bajo, hasta el impacto de la
energía solar a gran escala que podrían hasta modificar el albedo de la Tierra y
afectar el medioambiente.
Materiales más fuertes permitirán el desarrollo de máquinas mucho más
grandes, capaces de excavar o destrozar grandes áreas de nuestro planeta a
un paso mucho más acelerado.
Es pronto para decir si habrá incentivos económicos para hacer esto. Sin
embargo, dado el gran número de actividades y propósitos que, llevados al
extremo, podrían dañar el medioambiente, y dada la facilidad con la que se los
podrían llevar al extremo gracias a la fabricación molecular, parece al menos
probable que debemos tener en cuenta este posible riesgo.
Algunos daños pueden ser resultado de acciones colectivas o individuales que
solas serían inofensivas. Es bastante difícil impedir este tipo de daños con
argumentos o leyes por lo que tal vez será necesaria una normativa
centralizada que regule la propia tecnología.
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Por último, la naturaleza compacta de maquinaria fabricada por la
nanotecnología podría fomentar el uso de productos muy pequeños, que
podrían a su vez convertirse con el tiempo en un tipo de nano-basura que sería
difícil de limpiar y podría causar problemas de salud.
3.1.8. Riesgos de la nanotecnología en la salud de los seres humanos
En 1997 investigadores de la Universidad de Oxford y la Universidad de
Montreal mostraron que el dióxido de titanio y el óxido de zinc usados
como nanoparticulas en la mayoría de los bloqueadores solares
producen radicales libres en las células de la piel, dañando el ADN.
En 2002, el Centro de Nanotecnología Biológica y Ambiental de la
Universidad de Rice, Houston, informó que las nanoparticulas se
acumulan en los órganos de animales de laboratorio (hígado y
pulmones). Esto podría dar origen a tumores, al igual que el daño del
ADN. Los nanotubos, similares a finísimas agujas, podrían clavarse en
los pulmones con efectos parecidos al que provoca el asbesto.
En 2003 en un estudio solicitado por el Grupo ETC, el tóxico-patólogo
Vyvyan Howard concluyó que el tamaño de las nanoparticulas, más que
el material que las constituye, es un riesgo en sí mismo porque aumenta
exponencialmente su potencial catalítico y el sistema inmunológico no
las detecta.
En 2004, Howard informó en una conferencia mundial sobre
nanotoxicidad que las nanoparticulas se mueven de la madre al feto por
medio de la placenta. Se mostró que las nanoesferas de carbono
disueltas en agua, simulando un grado de contaminación ambiental
común, dañan el cerebro de los peces y provocan mortandad en pulgas
de agua.
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4. IMPLEMENTACIÓN DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL CONCRETO
El mundo actual está lleno de nuevos inventos estudios e investigadores que
han logrado generar nuevos materiales con nanotecnología en diversas áreas,
es claro que llegara el momento que la nanotecnología se incorporara en
aspectos de las construcciones mejorando los materiales con súper
características a la hora de ser empleados, esperando grandes resultados a
futuro.
La implementación de nanotecnología en el mejoramiento de los materiales
también será una ayuda en el combate contra la contaminación ambiental,
claramente un punto importante en la actualidad.
En nuestra actualidad ya se está empezando a implementar la nanotecnología
en la construcción como sensores que se incorporan en las edificaciones para
poder así monitorear de manera más precisa la estructura, también se está
generando acero y concreto de mayor durabilidad.
Actualmente los estudios que se han realizado en el ámbito de la construcción
han sido de aspecto investigativo dándole prioridad a los materiales
cementantes, buscando encontrar mayor conocimiento de los nanomateriales y
su comportamiento a los esfuerzos a nivel manométrico.
El avance y estudio de los nanomateriales ha ido aumentando a medida que
avanzan los años gracias también a un colectivo de profesiones que se
encargan de generar herramientas capaces de poder observar y trabajar los
nanomateriales, algo que hace unos 20 años sonaría imposible.
Hacer modificaciones a nivel manométrico es posible en el concreto
incorporando nanomateriales para poder controlar su comportamiento y así
mejorar sus propiedades o agregar propiedades nuevas. El mejoramiento del
cemento o sus agregados independientemente, con los nanomateriales, esto
nos puede generar concretos con alta resistencia a la compresión, baja
resistividad eléctrica, capacidad de auto limpieza, capacidad hasta incluso de
poder generar auto reparaciones de micro fisuras, estas y muchas más
propiedades que pueden mejorarse o incorporarse al concreto.
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4.1. Nano tubos de carbono (NTC)
Es una estructura de forma tubular con tamaño de su diámetro de orden
nanométrico (nm), donde un nanómetro es igual a 1 billonésima parte de un
metro 1x10-9 m, los nanotubos se pueden encontrar de diversos materiales coo
por ejemplo el silicio, nitruro de boro entre otros, generalmente se le llama asi a
los nanotubos de carbono.
Los nanotubos son una forma alotrópica del carbono, como el diamante grafito
o fullerenos, donde son compuestos por el mismo elemento en este caso
carbono pero el orden de su estructura molecular es diferente con lo cual se
puede obtener diversas presentaciones del carbono. Los nanotubos de carbono
se pueden considerar como una lámina de grafito enrollada, dependiendo del
tamaño de la lámina y la estructura interna de la misma se pueden presentar
diversos tamaños y geometría interna de los nanotubos de carbono. Existen
nanotubos los cuales se encuentran conformados por una sola capa de grafito
e denominan nanotubos monocapa, también se pueden encontrar varios
nanotubos dentro de más nanotubos de forma concretica, a estos se les
conoce como nanotubos de múltiple pared o multicapa
Ilustración 1: (A) nano tubos de pared simple SWNT y (B) nano tubos de doble pared MWNTs
Fuente 1 : www.madrimasd.org
44
En 1952 y L. V. Radushkevich y V. M. Lukyanovich, publicaron imágenes claras
de 50 tubos de carbono de diámetro nanométrico en el diario oficial de química
física en la Unión Soviética. Este descubrimiento fue en gran medida
inadvertido, ya que el artículo fue publicado en idioma ruso, los científicos
occidentales y el acceso a la prensa soviética, fue hecho casi imposible durante
la guerra fría. Es probable que los nanotubos de carbono se produjeran antes
de esta fecha, pero fue la invención del microscopio de transmisión de
electrones o TEM (Transmission electrón microscopy), quien permitió la
visualización directa de estas estructuras.3
En 1953. Con el desarrollo del microscopio electrónico, Davis, Slawson y
Rugby describen la producción unos filamentos entre 100 y 200 nm, de forma
helicoidal, a partir de la desproporción de CO catalizada por hierro a 450ºC,
permaneciendo éste en la punta de los filamentos. A la vez que los filamentos,
se producían también carbono amorfo y carburos de hierro.4
4.1.1. Método de elaboración
La elaboración de nanotubos es complicado porque actualmente no se ha
logrado controlar la estructura de los nanotubos y los métodos de fabricación
dan como resultado nanotubos de diferentes longitudes diámetros curvados y
demás efectos que no se buscan.
Deposición química en fase de vapor (CVD) Método del 4.1.1.1.
sustrato 5
Desarrollada por Morinubo Endo, de la Universidad de Shinshu en Nagano. Se
coloca un sustrato en un horno, se calienta a 600 ºC y lentamente se añade
metano, gas, liberando átomos de carbono, que se pueden recombinar en
forma de nanotubos.
Fase primera.- Preparación de los catalizadores: Se dispersan
nanopartículas de un metal de transición sobre un substrato. Dado que
el elemento activo es el metal en estado elemental, es necesario un
tratamiento de reducción con hidrógeno para inducir la nucleación de
partículas catalíticas en el sustrato. A partir de este momento el
catalizador ha de estar ya en todo momento en atmósfera controlada
libre de aire.
___________________
3 (En línea) Archivo Digital: Nano materiales Disponible en:
<http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria/mecanica/mat/mat_mec/m6/Introduccion
%20a%20los%20nanomateriales.pdf ., p. 20.
4 (En línea) Archivo Digital: Nano materiales:
lbid ., p. 21.
5 (En línea) Archivo Digital: Nano materiales:
lbid ., p. 23.
45
Fase segunda: Crecimiento de los nanotubos: Se introduce en el
sistema la fuente de carbono para producir el crecimiento de los
nanotubos. Las temperaturas utilizadas para la síntesis de nanotubos
por CVD se hallan generalmente comprendidas entre 650 y 900ºC.
Suele emplearse un reactor tubular, introducido en un horno eléctrico,
para llevar a cabo ambas etapas, pasando de una a otra mediante los
flujos de gases y las temperaturas. Durante la etapa de crecimiento de
nanotubos, suele seguir
utilizándose hidrógeno como gas portador ya que este inhibe la
formación de carbono amorfo.
Ilustración 2: esquema de reactor térmico CVD, por sus características operativas.
Fuente 2: www.wikipedia.com
Cuando se desea producir VGCF engordadas, suele realizarse una tercera
etapa de engrosamiento, donde se disminuye la relación de hidrógeno y se
incrementa la temperatura para favorecer el craqueo. El método del sustrato es
versátil y permite obtener los distintos tipos de filamentos con alta selectividad.
Sin embargo, al ser un proceso discontinuo que requiere de unos tiempos de
residencia elevadísimos, las cantidades a producir son muy pequeñas, por lo
que los costes son elevadísimos.
De los métodos desarrollados para la síntesis de nanotubos, la técnica CVD se
muestra la más prometedora para la escala industrial en términos de relación
precio/unidad. Hay ventajas adicionales para la síntesis de nanotubos por CVD.
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De los diferentes métodos de obtención de nanotubos, CVD es la única técnica
capaz de lograr un crecimiento directamente sobre un sustrato determinado.
Sin embargo, en las demás técnicas, los nanotubos deben ser recopilados
posteriormente. Los lugares de crecimiento son controlables por deposición
cuidadosa de un catalizador. Además no hay otros métodos de crecimiento, por
ahora, que se hayan desarrollado para producir nanotubos alineados
verticalmente.
Sus características son:
Rendimiento normal: de 20 a casi 100 por cien.
Ventajas: la técnica de CVD es el más sencillo de los tres métodos para
su aplicación a escala industrial. Podría emplearse para fabricar
nanotubos largos, necesarios en las fibras empleadas en materiales
compuestos.
Limitaciones: Los nanotubos fabricados así suelen ser de pared múltiple
y a veces están plagados de defectos. De ahí que los tubos tengan sólo
una décima de la resistencia a la tracción respecto a los fabricados por
la descarga de arco.
Método de Ablación Laser 6 4.1.1.2.
Este método, empleado por primera vez por Smalley en 1995, es también una
técnica de síntesis de nanotubos de carbono a alta temperatura. Sus principios
y mecanismos son similares a los del arco de descarga, con la diferencia de
que la energía procede del impacto de un láser pulsado contra un blanco de
grafito que contiene catalizadores metálicos (como Ni o Co), que actúan como
centros de nucleación permitiendo el crecimiento del nanotubo. El blanco se
encuentra dentro de un tubo de cuarzo, que se calienta a 1.200 ºC, y junto al
cual se sitúa un colector de cobre enfriado con agua sobre el que se
condensan los átomos de carbono evaporados del grafito que irán formando los
nanotubos. Permite obtener SWNT de gran calidad y pureza.
___________________
6 (En línea) Archivo Digital: Método de síntesis de nanotubos de carbono Disponible en:
<https://lidiaconlaquimica.wordpress.com/2016/01/18/metodos-de-sintesis-de-nanotubos-de-
carbono/
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Ilustración 3: esquema del método de ABLACION utilizado por Smalley en 1995
Fuente 3: juanperdomo.webnode.com.co
Las propiedades de los nanotubos obtenidos dependen de muchos factores,
como las características del láser (energía, potencia máxima, frecuencia de
oscilación, longitud de onda), la estructura y composición del blanco, la presión
en la cámara, la composición y el flujo del gas o la temperatura.
Los láseres habitualmente empleados son los de Nd – YAG (neodymium-doped
yttrium aluminium garnet) o los de dióxido de carbono, observándose que el
diámetro promedio aumenta al incrementar la potencia del láser. Con un láser
excimer de XeCl a una longitud de onda de 308 nm se han obtenido SWNT con
un diámetro entre 1’2 y 1’7 nm, y una longitud de más de 2 µm,
comprobándose que el rendimiento era mayor cuanto más elevada era la
temperatura (1350 ºC).
48
Método del Arco de Descarga 7 4.1.1.3.
Este método, similar al empleado en la síntesis de fullerentos, emplea elevadas
temperaturas (en torno a 1.700 ºC) que permiten un crecimiento de los
nanotubos con menos defectos estructurales.
Se produce un paso de corriente continua, de unos 50 – 100 A a través de dos
electrodos de grafito de elevada pureza de 6 – 12 µm de diámetro, refrigerados
con agua y separados entre sí unos pocos milímetros, en una cámara a una
presión que puede variar entre 4.000 y 65.000 Pa. Entre los electrodos se
forma un plasma de átomos de carbono, sublimados del electrodo positivo
(ánodo), que se condensa en el electrodo negativo (cátodo) formando
nanotubos de carbono. A medida que se forman los tubos disminuye la longitud
del electrodo positivo y se forma un depósito de carbono en el electrodo
negativo.
Ilustración 4: Detalles del equipo utilizado en el método por arco.
Fuente 4: www.lidiaconlaquimica.wordpress.com
___________________
7 (En línea) Archivo Digital: Método de síntesis de nanotubos de carbono Disponible en:
<https://lidiaconlaquimica.wordpress.com/2016/01/18/metodos-de-sintesis-de-nanotubos-de-
carbono/
49
Ilustración 5: Detalle del equipo usado en la elaboración de NTC por arco eléctrico
Fuente 5: www.Monografias.com
Otros Métodos De Síntesis 8 4.1.1.4.
El método hidrotérmico emplea una mezcla de polietileno o etilenglicol y agua,
con Ni como catalizador, a una temperatura de 700 – 800 ºC y una presión de
60 – 100 MPa, con un flujo de monóxido y dióxido de carbono, hidrógeno y
agua. De esta manera se consiguen obtener MWNT con un diámetro interno
grande.
Aunque es menos común, también pueden sintetizarse nanotubos mediante
electrólisis. Consiste en la electrodeposición en un cátodo de grafito de un
metal alcalino o alcalinotérreo a partir de una sal acompañada de formación de
nanotubos de carbono mediante interacción con el metal depositado. Mediante
disolución de la sal en agua destilada, el producto se desprende y puede ser
recogido por filtración. Este producto contiene una mezcla de nanotubos, la
mayoría MWNT (con diámetros entre 10 y 20 nm, alrededor de 500 nm de
longitud y unas 10 – 15 capas), y una gran cantidad de nanopartículas de
carbono, carbono amorfo y nanopartículas metálicas asociadas a átomos de
carbono. La mayor diferencia, es que tiene lugar en fase condensada. También
se han conseguido sintetizar nanotubos mediante reducción de dióxido de
carbono a carbono elemental.
___________________
8 (En línea) Archivo Digital: Método de síntesis de nanotubos de carbono Disponible en:
<https://lidiaconlaquimica.wordpress.com/2016/01/18/metodos-de-sintesis-de-nanotubos-de-
carbono/
50
4.1.2. Estructura de los nanotubos de carbono
La verdadera creación de un nanotubo de carbono no es enrollando una lámina
de grafeno, pero podemos utilizar esta definición para poder explicar las
diferente formas geométricas que puede tener los nanotubos de carbono,
enrollaremos una lámina de grafeno alrededor de un eje llamado (T).
Ilustración 6: Hoja de grafeno y sus posibles opciones de generar un nanotubo de carbono
Fuente 6: lidiaconlaquimica.wordpress.com
“Un parámetro característico de cada nanotubo es su quiralidad θ, definida a
partir del vector quiral (C), que es un vector perpendicular al eje T que se
obtiene por combinación lineal de los vectores unitarios de la celda unidad
hexagonal de la lámina de grafeno:
Ecuación 1: Vector quiral ( )
51
Por tanto, la estructura de un nanotubo de carbono queda definida por su
diámetro y su quiralidad (d y θ) o bien por los denominados índices de Hamada
(n, m):
Cuando n = m se obtiene la estructura conocida como armchair (θ =
30º).
Cuando m = 0 se obtiene la estructura zigzag (θ = 0º).
Cualquier otra estructura carente de simetría, en la que n ≠ m, se
denomina estructura quiral (0º < θ < 30º).” 9
4.1.3. Tipos de Nanotubos de Carbono
Al momento de generar nanotubos de carbono el procedimiento o método que
se escoja para realizar su elaboración será un factor importante que
determinara que tipo de nanotubo se estará generando también se influirá en
sus propiedades y pureza, con lo cual es muy importante conocer los tipos de
nanotubos de carbón que se pueden producir y saber sus características.
Nanotubo monocapa o pared sencilla 4.1.3.1.
Los nanotubos de carbono monocapa se encuentran conformados por una sola
capa de grafito enrollada y así formando un cilindro. Los nanotubos de pared
simple o monocapa son de mucha importancia por sus propiedades de
eléctricas que no poseen los otros tipos de nanotubos, esta propiedad es
importante para poder generar aplicaciones a nivel de electrónica molecular.
Ilustración 7: Representación de un nanotubo de carbono de pared simple (monocapa)
Fuente 7: www.wmaze.com
___________________
9 (En línea) Archivo Digital: Estructura de los nanotubos de carbono Disponible en:
<https://lidiaconlaquimica.wordpress.com/2015/09/04/estructura-de-los-nanotubos-de-carbono/
52
Nanotubos de carbono de pared múltiple 4.1.3.2.
Nanotubos de pared múltiple como su nombre lo indica, están conformados por
varias capas o paredes que se forman que se encuentran nanotubos uno
dentro del otro de manera concéntricos, esta presentación de nanotubos es
más estable y rígidas que los monocapa, por lo cual genera mayores
resistencia a la fatiga, este tipo de nanotubo tiene mayor potencial para ser
aplicado al mejoramiento de concretos por proporcionar mejores cualidades
físicas.
Generalmente, los nanotubos presentan ambos extremos sellados, lo que
implica la introducción de ordenamientos topológicos pentagonales en ellos.
Ilustración 8: Representación de nanotubo de carbono multicapa, se identifica cada tubo con diferente color
Fuente 8: www.monografias.com
53
4.1.4. Tipos de Nanotubos de carbono Según su geometría interna, metálicos- semiconductor.10
Los nanotubos de carbono pueden presentar diversas formas geométricas,
más exactamente en sus extremos, el ordenamiento de las celdas
hexagonales es factor importante para determinar si es metálico o
semiconductor, flexibilidad y resistencia.
Nanotubos tipo zig-zag, metálico –semiconductor, 4.1.4.1.
según su geometría interna.
El nombre de "Zig-zag" es debido a que los extremos de estos nanotubos
terminan en esa forma, como se ve en la lustración 9.
Ilustración 9 : Se le llaman zig-zag por la terminación del nanotubo de carbón con ese diseño
Fuente 9: www.carbonalfa.com
Específicamente, para los nanotubos tipo zig-zag el índice n = 0, es decir, que
todo nanotubo con índices del tipo (m, 0), donde m puede ser cualquier número
entero, es un nanotubo tipo zig-zag, por ejemplo el nanotubo (20,0) que se
muestra a la derecha. Los nanotubos tipo zig-zag en su mayoría son
semiconductores, por lo que no conducen la electricidad fácilmente, y por esta
razón suelen ser utilizados para fabricar transistores de efecto de campo
(FETs). Y de hecho, se ha demostrado que es posible construir transistores tipo
FET utilizando únicamente nanotubos de carbono.
___________________
10 (En línea) Archivo Digital: Nanotubos de carbono Disponible en:
<http://www.carbonalfa.com/nanotubos-de-carbono.html
54
Nanotubos tipo armchair, comportamiento metálico. 4.1.4.2.
Los nanotubos tipo armchair reciben su nombre por la forma de "descansa
brazos" (armchair en inglés) que presentan a los extremos del nanotubo, ver
por ejemplo la ilustración 10.
Ilustración 10: se le llama nanotubo armchair por la forma que termina, que significa en español '' sillón ''
Fuente 10: www.carbonalfa.com
En el caso de los nanotubos armchair, los índices m y n son iguales. Por lo que
todos los nanotubos donde m = n se consideran tipoarmchair, por ejemplo el
nanotubo (10,10) que se muestra en la Ilustración 10. En este caso, todos los
nanotubos tipo armchair se comportan como metales, es decir que conducen la
electricidad fácilmente y suelen utilizarse en la fabricación de pantallas
transparentes y flexibles.
Nanotubos tipo quiral, comportamiento semiconductor. 4.1.4.3.
Los nanotubos tipo quiral son todos aquellos nanotubos que sus índices son
diferentes a los nanotubos tipo zig-zag o armchair, y se caracterizan porque los
extremos de los nanotubos no terminan de forma regular. Este tipo de
nanotubos pueden ser metálicos o semiconductores, por ejemplo el nanotubo
(8,5) es un nanotubo quiral que se comporta como metal (ilustración 11), pero
el nanotubo (6,2) tiene propiedades de un semiconductor.
55
Ilustración 11: La característica de nanotubos quiral es su terminación de forma irregular.
Fuente 11: www.carbonalfa.com
4.1.5. Propiedades de los Nanotubos de carbono
Electrónicas 4.1.5.1.
Se ha observado que los nanotubos de carbono tienen características
electrónicas excepcionales. Debido a que las propiedades de los nanotubos de
pared múltiple son muy similares a las de pared única en este apartado
únicamente se tratará acerca de las características de estos últimos.11
“Las propiedades electrónicas dependen mayoritariamente de los índices de
Hamada, si estos índices son múltiplos de 3 el nanotubo se considera metálico
caso contrario es un semiconductor. Todos los nanotubos de tipo "armchair"
son metálicos, mientras que los nanotubos tipo zigzag y quirales pueden ser
metálicos o semiconductores. En los nanotubos de tipo metálico el transporte de
electrones es inmediato, lo que posibilita el transporte de corrientes a través de
grandes distancias sin producir calentamiento en la estructura.
Diferentes tipos de nanotubos pueden ser creados mediante la unión de dos
tipos de los mencionados anteriormente, formando así uniones metal-
semiconductor, semiconductor-semiconductor o metal-metal.
Se ha observado experimentalmente que la unión metal-semiconductor se
comporta como un rectificador de corriente eléctrica debido a las anormalidades
de la unión. Una característica importante de la unión metal-metal es que esta,
dependiendo del arreglo de nanotubos que se conecten para formarla, en
ciertas circunstancias permite el paso de electrones mientras que en otras
56
bloquea totalmente el paso de los mismos, esto posibilita el uso de estos
materiales como nano-interruptores.” 12
Ópticas 4.1.5.2.
Las propiedades ópticas de los nanotubos de carbono son mayoritariamente
determinadas mediante la Espectroscopia Raman, en donde la dispersión de
una luz monocromática concentrada sobre un punto del material, generalmente
la de un láser en el espectro visible, provoca que la energía de los fotones
experimente un desplazamiento hacia arriba o hacia abajo, este
desplazamiento de energía permite estudiar las características del material,
cuando existe una excitación proveniente de una fuente de luz.13
Los nanotubos presentan el fenómeno de la luminiscencia, con lo que pueden
ser utilizados como fuentes de luz microscópicas para crear por ejemplo,
optomemorias de muy pequeño tamaño, pero debido a la baja eficiencia de los
nanotubos de carbono puros, este sistema es comercialmente inviable.14
Ignífugas. 4.1.5.3.
“Se ha comprobado experimentalmente que los polímeros reforzados con
nanotubos de carbono tienen propiedades ignífugas. El motivo no se conoce
todavía muy bien pero podría ser porque al elevarse la temperatura en caso de
fuego los nanotubos se desplazarían hacia la superficie y formarían una red
que, aparte de mantener la integridad estructural del polímero, formarían parte
de una barrera aislante que protegería al interior del material (hay que recordar
que los nanotubos de carbono conducen muy bien el calor en la dirección del
eje del nanotubo, pero no transversalmente).
La ventaja de los nanotubos de carbono como aditivos ignífugos es que
permitiría desplazar a otros que se usan actualmente y que son perjudiciales
para el medioambiente.
Los materiales compuestos con propiedades ignífugas son de vital importancia
en muchos ámbitos de aplicación. Los aviones comerciales de transporte, por
ejemplo, contienen gran cantidad de plásticos inflamables en la tapicería de los
asientos, ventanas, marcos de ventanas, aislamientos de cables y partes
variadas.” 15
___________________
11 Mildred S. Dresselhaus and Morinobu Endo. Relation of Carbon Nanotubes to Other Carbon Materials.
p.11- 27 12
M. H. Herbst, M. I. F. Macêdo, and A. M. Rocco. Tecnología dos nanotubos de carbono: Tendências e
perspectivas de uma área multidisciplinar. Química Nova, p. 986- 992 13
R. Saito and H. Kataura. Optical Properties and Raman Spectroscopy of Carbon Nanotubes. p.216- 247. 14
A. Swan. Optical properties of carbon nanotubes, 1998. 15
(En línea) Archivo Digital: Materiales con Nanotubos de carbono Disponible en:
<http://www.aitiip.com/en/news/materiales-con-nanotubos-de-carbono.html>
57
Térmicas 4.1.5.4.
“Los nanotubos de carbono, además de ser muy estables a altas temperaturas,
presentan una altísima conductividad térmica (superior a la del diamante) en la
dirección del eje. Sin embargo, si se les aplica calor en dirección perpendicular
al eje, lo reflejan.
Estas propiedades se transfieren a los compuestos que contienen nanotubos
de carbono. Así, se pueden desarrollar materiales con alta conductividad
térmica en una dirección pero aislantes en otra, según la alineación de los
nanotubos de carbono. La primera propiedad podrá ser usada para fabricar
disipadores de calor en ciertas aplicaciones como la electrónica donde los
chips pueden alcanzar temperaturas superiores a 100ºC. La segunda servirá
para elaborar estupendas barreras térmicas.” 16
Mecánicas 4.1.5.5.
Tanto los estudios teóricos como prácticos han demostrado que los nanotubos
son los fibras más fuertes conocidas hasta el momento, además se ha
observado que estos son capaces de variar su forma acomodándose a la
fuerza externa que provoca su deformación, sin que esto represente un cambio
irreversible en su estructura molecular. Se han realizado muchos experimentos
en los que los nanotubos han sido sometidos a torceduras, compresiones e
incluso se han aplanado y sin embargo estos han recuperado su forma original.
Estudios recientes han demostrado que los nanotubos no pueden soportar
grandes fuerzas normales a su eje radial, esto significa que no pueden ser
comprimidos o estirados en la dirección de su eje, ya que esto causa el pandeo
o colapso del mismo, sin embargo también es posible que estos elementos se
deformen irreversiblemente ante la presencia de una fuerza abrumadora que
exceda los límites de su resistencia o debido a altas temperaturas.17
Como aspecto adicional cabe citar su ligero peso frente al de otros materiales
de características similares. Las mediciones de las fuerzas que soportan los
nanotubos todavía son difíciles de realizar debido a que son estructuras tan
pequeñas, que no pueden ajustarse a las tensiones aplicadas en las
mediciones estándar, además de la falta de instrumentos de medición para
trabajar a escalas tan pequeñas, por lo que esto aún sigue siendo un reto tanto
teórico como práctico. Se han realizado mediciones, aunque con márgenes de
error muy amplio, y se ha notado que los nanotubos soportan una presión
máxima de 130 GPa frente a los 5 GPa e incluso menos que soporta el acero.18
Los nanotubos de carbono tienen su longitud demasiado grande en relación a
su radio, por lo cual se pueden clasificar como una viga elástica continua, esto
está basado en modelos usando la teórica elástica. Muestra al nanotubo de
carbono muy flexible, el cual puede resistir grandes deformaciones, torcedura
y compresión, al estar sometido a este estrés, resiste muy bien sin romperse,
caso contrario a las fibras de carbon las cuales se rompen muy fácil al ser
sometidas a resistencia mecánica.
58
El comportamiento que presentan los NTC bajo tensión, se puede medir con el
módulo de Young, que nos daría el esfuerzo de tensión y la elongación. El
módulo de Young para los NTC se ha medido de forma experimental, y se
encuentra alrededor de los 1000 GPa.
Tabla 1: Propiedades NTC de pared simple con otros materiales
Propiedad Nanotubos de pared
única
Por comparación con otras
sustancias o elementos
Tamaño 0.6 a 1.8 nanómetros de
diámetro
La litografía de haz electrónico
puede crear líneas de 50 nm de
ancho.
Densidad 1.33 a 1.40 g/cm3 El aluminio tiene una densidad de
2.7 g/cm3
Resistencia
a la tracción 45 mil millones de pascales
Las aleaciones de acero de alta
resistencia se rompen a alrededor
de 2 mil millones de pascales.
Elasticidad
Pueden doblarse a grandes
ángulos y vuelven a su
estado original sin daño.
Los metales y las fibras de carbón
se fracturan ante similares
esfuerzos.
Capacidad
de transporte
de corriente
Estimada en mil millones
de amperes por centímetro
cuadrado
Los alambres de cobre se funden
a un millón de amperes por
centímetro cuadrado
aproximadamente.
Emisión de
campo
Pueden activar fósforos con
1 a 3 voltios si los
electrodos están
espaciados una micra
Las puntas de molibdeno
requieren campos de 50 a 100
voltios/m y tienen tiempos de vida
muy limitados.
Transmisión
de Calor
Se predice que es tan alta
como 6,000 vatios por
metro por kelvin, a
temperatura ambiente.
El diamante casi puro transmite
3,320 W/mK
Estabilidad
térmica
Estable aún a 2,800 grados
Celsius en el vacío, y 750
°C en aire.
Los alambres metálicos en
microchips funden entre 600 y
1000°C.
Fuente 12: http://sisbib.unmsm.edu.pe.com
59
La resistencia mecánica de los nanotubos de carbono se remonta a su
estructura molecular los cuales tienen una unión similar al grafito con enlaces
covalentes muy fuertes, 1s22s22p2 es la estructura del carbono, el grafeno es
una hibridación del carbono los orbitales 1 s y 2 p forman generando un orbital
sp2 el cual forma un Angulo de 120° con respecto al plano, formando así la
característica más vistosa del grafeno la forma de malla conformada de
hexágonos.
Defectos en los nanotubos de carbono 4.1.5.6.
Generalmente, los nanotubos presentan ambos extremos sellados, lo que
implica la introducción de ordenamientos topológicos pentagonales en ellos.
Los nanotubos pueden presentar defectos en los extremos o en la pared
lateral. El origen de estos defectos puede ser la presencia de anillos
pentagonales o hexagonales que provocan curvaturas en su estructura (a); la
existencia de átomos de carbono con hibridación sp3 (b), como también sucede
con el grafito; o la incorporación de grupos funcionales generados en la
purificación en condiciones fuertemente oxidantes (c): 19
Ilustración 12: Ilustración de los defectos posibles en nanotubos de carbono
Fuente 13: lidiaconlaquimica.wordpress.com
___________________
16 (En línea) Archivo Digital: Materiales con Nanotubos de carbono Disponible en:
<http://www.aitiip.com/en/news/materiales-con-nanotubos-de-carbono.html 17
Mildred S. Dresselhaus and Morinobu Endo. Relation of Carbon Nanotubes to Other Carbon Materials.
p. 11- 27 18
Boris I. Yakobson and Pahedon Avouris. Mechanical Properties of Carbon Nanotubes. p. 293-330. 19
(En línea) Archivo Digital: estructura de los Nanotubos de carbono Disponible en:
<https://lidiaconlaquimica.wordpress.com/2015/09/04/estructura-de-los-nanotubos-de-carbono/
60
5. IMPLEMENTACIÓN DE NANOTUBOS DE CARBONO EN EL CONCRETO
Los nanotubos de carbono por tener sus átomos una estructura ordenada
formando paneles y al estar enrolladas como si de una malla se tratara al ser
mezclados en el concreto son capaces de aumentar hasta 20 veces o más sus
propiedades mecánicas.
Los nanotubos de carbono generan mayor resistencia y durabilidad y también
nos permiten generar un material de mejores características. Agregando
pequeñas cantidades de nanotubos, equivalentes del 1 a 5 por ciento del peso
del cemento, las propiedades mecánicas de ese material se incrementan de 20
a 50%, generando mayor resistencia a la tracción y compresión, y produciendo
una construcción autógena la cual es capaz de disminuir fisuras notablemente
que normalmente se generan por los poros que se producen en el concreto, el
enlace atómico de los nanotubos de carbono es primordial para poder sellar los
espacios vacíos que se generan en el concreto y así luchar contra las micro
fisuras en su interior.
En la elaboración de concretos con nanotubos de carbono se presentan
inconvenientes, los cuales difieren por el mismo tamaño de los nanotubos, su
dispersión en la mezcla con los demás materiales que componen el concreto, y
lograr una homogenización de los nanotubos en la mezcla.
Un aspecto importante en la implementación de nanotubos de carbono es la
reacción que tendrán estos con respecto a los otros materiales, al ser
hidratados, la adherencia de la pasta su fluidez y manejabilidad, estos factores
se pueden estudiar y así conocer mejor la reacción con una mezcla de
concreto.
En otras investigaciones se ha logrado mejorar el concreto a la tensión
agregando fibras de carbono, las cuales mejoran también sus propiedades
electromecánicas y electromagnéticas, aclarando que su costo se incrementa
notoriamente, teniendo en cuenta los resultados con los materiales compuestos
de carbono es de esperarse que al usar nanotubos de carbono de produzca un
mejor desempeño del concreto, por lo cual se vuelve muy importante el
conocimiento de la estructura interna y funcionamiento mecánico del concreto.
5.1.1. Resistencia Del Cemento
El cemento es un conglomerante hidráulico, un material capaz de generar una
pasta cuando se mezcla con agua, este se endurece gracias a procesos de
hidratación y reacciones químicas, que dan como resultado un material
resistente a compresión incluso estando dentro del agua.
El cemento se puede mesclar con diversos materiales llamados áridos y
adicionando agua a esta mezcla se formara una pasta diferente la cual se
conoce cono concreto u hormigón, esta pasta se puede trabajar durante un
61
tiempo determinado para ser utilizada en la construcción de obras civiles,
dando como resultado un material de alta resistencia y mantener su volumen
relativamente constante a largo tiempo.
Principalmente los silicatos de calcio son los que generan el endurecimiento en
el cemento cuando es hidratado, también se tiene en este proceso compuestos
químicos tales como los aluminatos.
Hidratación de la pasta de Cemento Pórtland 5.1.1.1.
“El primer componente que reacciona con el agua es el C3S, aunque su
actividad queda frenada por la adición de yeso.
Las primeras reacciones de la hidratación se producen en la superficie de los
granos dando lugar a precipitaciones de productos hidratados y nuevas
disoluciones de componentes aumentando la viscosidad.
Se puede decir que el principio de la hidratación está generado por reacciones
químicas, pero que, posteriormente, al generarse la capa de gel, la difusión es
el proceso que más participa en la hidratación.” 20
“El calor de hidratación es el calor que se genera por la reacción entre el
cemento y el agua. La cantidad de calor generado depende, primariamente, de
la composición química del cemento, siendo el C3A y el C3S los compuestos
más importantes para la evolución de calor. Relación agua-cemento, finura del
cemento y temperatura de curado también son factores que intervienen. Un
aumento de la finura, del contenido de cemento y de la temperatura de curado
aumenta el calor de hidratación. A pesar del cemento portland poder liberar
calor por muchos años, la tasa de generación de calor es mayor en las edades
tempranas.
Ilustración 13: Evolución de calor en función del tiempo para el Cemento
portland
Fuente 14: http://notasingenierocivil.blogspot.in/2011/07/calor-de-hidratacion-
del-concreto.html
62
La etapa 1 es el calor de humedecimiento o de la hidrólisis inicial (hidratación
del C3Ay del C3S). La etapa 2 es el período de incubación relacionado al
tiempo de fraguado inicial. La etapa 3 es una reacción acelerada de los
productos de hidratación que determina la tasa de endurecimiento y el tiempo
de fraguado final. En la etapa 4 hay una desaceleración de la formación de los
productos de hidratación y determina la tasa de aumento de resistencia inicial.
La etapa 5 es lenta, caracterizada por la formación estable de productos de
hidratación, estabilizando la tasa de aumento de resistencia a edades
avanzadas.”21
“Los nuevos compuestos formados por las reacciones químicas son:
Silicato tricálcico + agua → gel de tobermorita + hidróxido de calcio
Silicato dicálcico + agua → gel de tobermorita + hidróxido de calcio
Ferroaluminato tetracálcico + agua + hidróxido de calcio → hidrato de
calcio
Aluminato tricálcico + agua + hidróxido de calcio → hidrato de Aluminato
tricálcico Aluminato tricálcico + agua + yeso → sulfoaluminatos de calcio
Las dos primeras reacciones son aproximadamente del 75% del peso del
cemento los cuales reaccionan con el agua y producen el gel de tobermorita.
(50%) y el hidróxido de calcio (25%)” 22
Con la relación a/c se determina la porosidad capilar que puede tener el
concreto endurecido.
Ilustración 14: Secuencia de la hidratación del cemento
Fuente 15: http://docplayer.es/180102-Tiempo-de-fraguado-del-hormigon.html
63
Las cuatro fases en el fraguado y endurecimiento del cemento Pórtland:
a) dispersión de los granos de Clinker sin reaccionar en el agua,
b) Después de unos minutos, los productos de hidratación crecen hacia
dentro y hacia fuera de la superficie de cada grano.
c) Después de unas horas, interaccionan las capas que recubren los
diferentes Granos de Clinker, volviéndose así el conjunto un gel continuo
(fraguado).
d) Después de unos días ha surgido una masificación del gel
(endurecimiento).
Propiedades mecánicas del concreto 5.1.1.2.
Una delas características más importantes del concreto es su resistencia a la
compresión, pero su resistencia a tracción como al esfuerzo cortante con bajas
comparadas a la compresión, para superar estos inconvenientes se refuerza el
concreto con varillas de acero, y se le llama concreto reforzado, y así poder
soportar los esfuerzos cortantes y tracción.
El concreto al estar endurecido en su estado final, es un elemento deformable,
por lo tanto se pueden obtener esfuerzos, y deformaciones unitarias y
desplazamientos.
Lograr entender su comportamiento mecánico se convierte en un ítem
fundamental para asegurar un buen desempeño estructura.
El concreto es capaz de resistir a la intemperie por muchos años, siempre y
cuando su proceso de elaboración haya sido correcto, siguiendo las normas
vigentes en la elaboración, colocación, cimbrado, curado, entre otros aspectos
los cuales son importantes para un buen concreto.
Tabla 2: Resistencia del concreto a la compresión en función del tiempo
Evolución de la Resistencia a compresión de un Hormigón Portland normal
Edad del hormigón en días
3 7 28 90 360
Resistencia a compresión
0,40 0,65 1,00 1,20 1,35
Fuente 16: http://digital.csic.es/bitstream/10261/6298/1/IIJEC_Revuelta.pdf
Nanotubos De Carbono Como Refuerzo En El Concreto 5.1.1.3.
La implementación de nanotubos de carbono en el concreto, está basada en
varios objetivos pero principalmente mejorar sus capacidades a , flexión y
64
compresión, al estar trabajando a escalas nanométricas estamos incursionando
en lo más profundo de la mezcla de concreto con lo cual se pretende lograr
mejorar cada una de las partículas de concreto funcionando monolíticamente,
los nanotubos de carbono por sus características de alta resistencia, su módulo
de elasticidad mayor que el del acero, y su capacidad de soportar su propio
peso cientos de veces, generando así una mayor resistencia y una posible
ocupación de espacios vacíos en el concreto durante su elaboración y
procesos de fraguado.
___________________
20 (En línea) Archivo Digital: Composición del cemento portland Disponible en:
<http://personales.upv.es/fbardisa/Pdf/Composición%20Cementos.PDF 21
(En línea) Archivo Digital: Calor de hidratación del concreto Disponible en:
<http://notasingenierocivil.blogspot.in/2011/07/calor-de-hidratacion-del-concreto.html 22
(En línea) Archivo Digital: Hidratación del cemento Disponible en:
<http://www.cuevadelcivil.com/2011/04/hidratacion-del-cemento.html
65
6. DISEÑO DE MEZCLAS DE CONCRETO CON NANOTUBOS DE CARBONO
En las obras de construcción es de gran importancia el lograr un concreto
fuerte y duradero, una elaboración de un concreto con las proporciones
adecuadas para que no quede con porosidades y poca resistencia.
Muchas obras en nuestro país es de gran importancia el realizar un diseño de
mezclas para así poder determinar los costos de la obra, pues este material es
uno de los más usados, al momento de realizar una mezcla de concreto así se
le llame concreto estructural muchas veces no cumplen con los cuidados
necesarios para que este permanezca con sus características necesarias, la
causa de este problema es la confianza que tienen los obreros al elaborar el
concreto. La facilidad con la que este se puede preparar conlleva a la falta de
supervisión para el diseño de mezclas, llevando a fatales resultados, y no solo
se falla en su elaboración, también los tipos de curados.
A pesar de estas falencias se trata día a día de conseguir concretos mucho
más fuertes, no solo a compresión y flexión, también se busca que sean fuertes
a ataques externos agentes patógenos y hasta impactos de objetos
contundentes que puedan causar su destrucción, cabe resaltar que muchos
saben realizar una mezcla de concreto peor pocos saben o son conscientes
que el proceso de elaboración solo es uno de tantos pasos a seguir.
6.1. Desarrollo del experimento
6.1.1. Diseño de mezclas para concreto, por el método RNL (Road Note Laboratory)
Se empleara en el diseño de mezclas de concreto el método RNL, por que la
granulometría no cumplen las especificaciones de la NTC 174, por lo tanto se
tendrá que optimizar la granulometría por el método grafico de la RNL, y así
poder seleccionar la granulometría apropiada para diseño de concretos.
Datos generales del concreto a diseñar.
Se elaborara un concreto para “columnas” de una estructura, con una
exposición normal, el diseño estructural especificara resistencia a compresión a
los 28 días de 210 kg/cm3 (3000 PSI).
Se manejaran estas especificaciones para tener una referencia al momento de
realizar el diseño de mezclas a pesar que el diseño es únicamente
experimental en el desarrollo de esta monografía.
Datos necesarios de los materiales para el diseño de 6.1.1.1.
mezcla de concreto.
Granulometría de los agregados
66
Tabla 3: Granulometría de los Agregados
GRAVA ARENA GRAVA ARENA
GRAVA
ARENA
Tamiz Tami
z (mm)
W Retenid
o (g)
W Retenid
o (g)
% Retenid
o
% Retenid
o
% Pasa
% Pasa
3/4" 19 0
0
100,0
1/2" 12,7 699,7
14
86,0
3/8” 9,53 1761,7
35
50,8
1/4" 12,5 1928
39
12,2
N°4 4,76 578,6 0,22 12 0 0,6 100,0
N°8 2,36
74,21
9
90,7
N°10 2
20,82
3
88,1
N°16 1,18
122,30
15
72,8
N°20 0,85
122,36
15
57,5
N°30 0,60
164,27
21
37,0
N°40 0,42
187,47
23
13,6
N°50 0,30
24,76
3
10,5
N°100 0,15
81,60
10
0,3
N°200 0,075
1,76
0
0,1
Fondo
32 0,21 1 0
0,0
Sumatoria
5000 800 100 100
peso inicial
5000 800
Fuente 17: Alejandro Navarro y Horacio Forero
Tabla 4: Propiedades de los agregados pétreos del diseño de mezclas.
GRAVA ARENA
Ds aparente (Kg/m3) 2612 2534
P.U.C (Kg/m3) 1534 1549,57452
ABSORCION % 1,2 2,2
Cemento Cemex Densidad (Kg/m3) 3100
HUMEDAD %
Fuente 18: Alejandro Navarro y Horacio Forero
Proceso de dosificación del concreto 6.1.1.2.
Se hace la selección de los valores de asentamiento recomendados para
diversas clases de construcción.
67
Tabla 5: Valores de asentamiento para diversas clases de construcción.
Asentamiento Consistencia Grado de
trabajabilidad
Tipo de estructura y condiciones de
colocación
0-2,0 Muy seca Muy pequeño Vigas o pilotes de alta resistencia con vibradores de formaleta.
2,0-3,5 Seca Pequeño Pavimentos vibrados con máquina mecánica.
3,5-5,0 Semi- Seca pequeño
Construcciones en masas voluminosas. Losas medianamente reforzadas con vibración. Fundaciones en concreto simple. Pavimentos con vibradores normales.
5,0-10,0 Media Medio
Losas medianamente reforzadas y pavimentos, compactados a mano. Columnas, vigas, fundiciones y muros, con vibración.
10,0-15,0 Húmeda Alto
Secciones con mucho refuerzo. Trabajos donde la colocación sea difícil. Revestimiento de túneles. No recomendable para compactarlo con demasiada vibración.
Fuente 19: Capitulo 11- Tecnología del concreto – ASOCRETO
El valor de asentamiento seleccionado será de 5.0 -10.0 según la tabla 36, por
el tipo de construcción que se ha seleccionado anteriormente, y el
asentamiento será de 8 cm.
Selección del TM (tamaño máximo) y TMN (Tamaño máximo nominal)
Teniendo en cuenta los valores granulométricos de los laboratorios realizados
de acuerdo a la NTC 174 se determinó que el tamaño máximo (TM) del
agregado grueso es de 3/4" .y el tamaño máximo nominal (TMN) es de 1/2".
68
Estimación del contenido de Aire
Con el fin de tener un criterio acerca de la cantidad de aire en el concreto se
presenta a continuación una tabla con valores que se recomiendan según el
ACI 318-S-08 para varios grados de exposición.
Tabla 6: Contenido aproximado de aire en el concreto para varios grados de exposición.
Agregado grueso (TMN)
Porcentaje promedio
aproximado de aire
atrapado
Porcentaje promedio total de aire recomendado para los
siguientes grados de exposición
Pulgadas mm Suave Moderado Severo
3/8" 9,51 2,7 4,5 6,0 7,5
1/2" 12,5 2,5 4,0 5,5 7,0
3/4" 19,1 2,0 3,5 5,0 6,0
1" 25,4 1,7 3,0 4,5 6,0
1 1/2" 38,1 1,5 2,5 4,5 5,5
2" 50,8 1,0 2,0 4,0 4,0
3" 76,1 0,3 1,5 3,5 4,5
6" 152,4 0,2 1,0 3,0 4,0
Fuente 20: Capitulo 11- Tecnología del concreto – ASOCRETO
El contenido de aire atrapado para este diseño de mezclas se determinó de
acuerdo al TMN de 12.5mm (1/2”), y se ha seleccionado un porcentaje
aproximado de aire de 2.5%, y un porcentaje promedio total de aire
recomendado de acuerdo a la exposición será Suave 4.0%.
69
Estimación de la cantidad de agua de mezclado (a)
Tabla 7: Requerimiento aproximado de agua de mezclado y contenido de aire para asentamientos y TMN del agregado.
Con
dic
ione
s
Del C
on
ten
ido
De A
ire
Asentamiento (cm)
Agua en Kg/m3 de concreto para los TMN del agregado indicados
10 12,5 20 25 40 50 70 150
Con
cre
to S
in A
ire
In
clu
ido
3 a 5 205 200 185 180 160 155 145 125
8 a 10 225 215 200 195 175 170 160 140
15 a 18 240 230 210 205 185 180 170 ---
Cantidad aproximada
de aire atrapado en concreto sin aire incluido,
%
3 2,5 2 1,5 1 0,5 0,3 0,2
Con
cre
to C
on
Aire I
nclu
ido
3 a 5 180 175 165 160 145 140 135 120
8 a 10 200 190 180 175 160 155 150 135
15 a 18 215 205 190 185 170 165 160 ---
Promedio recomendable de contenido
total de aire %
8 7 6 5 4,5 4 3,5 3
Fuente 21: Capitulo 11- Tecnología del concreto – ASOCRETO
Es un concreto sin aire incluido, y teniendo en cuenta la tabla 38, se puede
calcular la cantidad de agua, y se tiene como resultado 215 kg/m3 para el
tamaño máximo de 1/2" (12.5 mm), con un asentamiento de 8 cm y 2.5% de
contenido de aire atrapado.
70
Elección de la relación agua / Cemento (a/c)
La relación agua/cemento, medida en pes, es uno de los factores más
importantes en el diseño de mezclas de concreto y por lo tanto se le debe
prestar mucho cuidado, la selección de la relación a/c se determina por
requisitos como resistencia, durabilidad, impermeabilidad y acabado.
Tabla 84: Relación entre la resistencia a la compresión y algunos calores de la relación a/c.
Resistencia a la compresión a los 28 días en kg/cm2 (PSI)
Concreto sin inclusor de aire (Relación
absoluta por peso)
Concreto con inclusor de aire
(Relación absoluta por peso)
175 (2500) 0,65 0,56
210 (3000) 0,58 0,5
245 (3500) 0,52 0,46
280 (4000) 0,47 0,42
315 (4500) 0,43 0,38
350 (5000) 0,4 0,35
Fuente 22: Capitulo 11- Tecnología del concreto – ASOCRETO
La relación a/c que se necesita para un concreto de 3000 PSI (210 kg/cm2) es
de 0.58, como se trata de un concreto que no será expuesto a sustancias
dañinas no se tiene algún limitante para asegurar el valor de a/c.
Calculo del contenido de cemento
Como ya se tiene la relación a/c y el contenido de agua, se puede calcular la
cantidad de cemento de la siguiente manera:
Ecuación 2: Cantidad de Cemento, usando el agua y la relación a/c.
Calculamos la cantidad de cemento remplazando el agua y el valor de la
relación a/c en la formula así:
La cantidad de cemento a usar será de 371 kg/m3
71
Verificación de las especificaciones granulométricas de los agregados.
Las propiedades del concreto dependen mucho de la granulometría de los
agregados. Por lo cual antes de realizar la dosificación de la grava y arena se
tiene que hacer una revisión de la distribución de los tamaños, los cuales tienen
que estar entre los rangos límites establecidos para así poder obtener
proporciones convenientes de agregado grueso y fino para el diseño de
concreto.
Método ACI: se utiliza cuando los agregados cumplen con las
recomendaciones granulométricas de la NTC 174.
Método de la Road Note Laboratory: Se utiliza cuando los agregados no
cumplen con las recomendaciones granulométricas.
Tabla 9: Verificación de las especificaciones granulométricas
Granulometría
Tamiz Tamiz (mm)
Límite Inferior
% Pasa Limite
Superior
GRAVA
3/4" 19 100 100,0 100
1/2" 12,7 90 86,0 100
3/8” 9,53 --- 50,8 ---
1/4" 12,5 40 12,2 70
N°4 4,76 0 0,6 15
ARENA
No-4 4,76 95 100,0 100
N°8 2,36 80 90,7 100
N°10 2 --- 88,1 ---
N°16 1,18 50 72,8 85
N°20 0,85 --- 57,5 ---
N°30 0,60 25 37,0 60
N°40 0,42 --- 13,6 ---
N°50 0,30 10 10,5 30
N°100 0,15 2 0,3 10
N°200 0,075 0,1
Fuente 23: Alejandro Navarro y Horacio Forero
Los valores que se encuentran en azul son aquellos que están entre los rangos
de aceptación, y los que se encuentran en rojo son los que no cumplen estos
Límites, por lo cual esta granulometría no cumple con los criterios para diseños
de mezclas para concreto, por lo cual se usa el método RNL para optimizar la
granulometría y así emplear este material para el diseño de mezclas para
concreto.
72
Los límites inferior y superior son tomados de la norma NTC 174, y se
encuentran empleados en el ensayo de granulometría tabla 5 de este
documento para el agregado grueso y tabla 10 de este documento para los
límites del agregado fino.
Se procede a realizar el método RNL grafico para optimizar la granulometría,
primero seleccionamos los limites, de acuerdo al tamaño máximo TM.
Tabla 10: Rango granulométrico recomendando
Fuente 24: Capitulo 11- Tecnología del concreto – ASOCRETO
Siendo el TM de nuestra muestra 19.0 mm (3/4”) se seleccionó los límites para
poder realizar el método grafico RNL.
TM
73
Tabla 115: Porcentaje pasa con límites para método NRL
Granulometría
Tamiz Tamiz (mm)
Límite Inferior
% Pasa Limite
Superior
GRAVA
3/4" 19 100 100,0 100
1/2" 12,7 80 86,0 87
3/8” 9,53 68 50,8 78
1/4" 12,5 --- 12,2 ---
N°4 4,76 47 0,6 62
ARENA
No-4 4,76 47 100,0 62
N°8 2,36 32 90,7 48
N°10 2 --- 88,1 ---
N°16 1,18 22 72,8 38
N°20 0,85 --- 57,5 ---
N°30 0,60 15 37,0 30
N°40 0,42 --- 13,6 ---
N°50 0,30 10 10,5 23
N°100 0,15 7 0,3 18
N°200 0,075 0,1
Fuente 25: Alejandro Navarro y Horacio Forero
Se realizó el grafico en el programa AUTOCAD para así generar mayor
precisión en las medidas y los resultados obtenidos, teniendo como resultado la
siguiente gráfica.
74
Ilustración15: Optimización Granulometría por Método Grafico RNL
Fuente 26: Alejandro Navarro y Horacio Forero
De acuerdo a la optimización de la granulometría por método grafico RNL el
diseño de mezclas estará compuesto de 50% de Agregado Fino y 50% de
Agregado Grueso, con una distribución granulometría de la siguiente manera.
75
Tabla 126: Resultados (% pasa) optimizado Por método Grafico RNL.
Granulometría
Tamiz Tamiz (mm)
% Pasa
3/4" 19 100,0
1/2" 12,7 93
3/8” 9,53 79
1/4" 12,5 56,1
N°4 4,76 50,3
N°8 2,36 45,4
N°10 2 44,2
N°16 1,18 36,4
N°20 0,85 28,7
N°30 0,60 18,4
N°40 0,42 6,8
N°50 0,30 5,5
N°100 0,15 0,15
N°200 0,075 0,1
Fuente 27: Alejandro Navarro y Horacio Forero
Volumen de agregados por 1 m3 de concreto en m3
Se deja los valores de los agregados en relación de cantidad para 1 m3 y se
tiene los siguientes resultados.
Tabla 137: Volumen de agregados en m3 para 1 m3 de concreto
Agregados valor Unidad Equivalente en m3/m3
Cemento Cemex 371 kg 0,12
agua 215 kg 0,22
aire 2,5 % 0,03
Fuente 28: Alejandro Navarro y Horacio Forero
Con estos valores calculamos el volumen de los agregados pétreos (Grava y
Arena) así:
Ecuación 3: Volumen Agregados Pétreos en el concreto.
76
Calculamos el valor de Agregado Fino y Grueso así:
Calculamos peso seco de agregado fino y grueso.
Se tiene que calcular la densidad promedio de los agregados de la siguiente
manera.
Ecuación 42: Densidad promedio de agregados pétreos
Dónde:
D (prom) = Densidad aparente promedio
% A. Fino = Porcentaje de agregado fino
% A. Grueso= porcentaje de agregado grueso
Ds A. Fino=Densidad aparente del agregado fino
Ds A. Grueso = Densidad aparente del agregado grueso.
Aplicamos la ecuación 21 y tenemos el siguiente resultado
Calculamos el peso seco del agregado fino y agregado grueso aplicando las
siguientes ecuaciones.
Ecuación 5: Peso seco del agregado grueso
Ecuación 6: Peso Seco del agregado Fino
77
Remplazando en las ecuaciones 22 y 23 tenemos el siguiente resultado.
Tabla 148: Cantidad de agregados para 1 m3 de concreto de 3000 PSI.
Material Peso Densidad volumen
(Kg/m3) (kg/m3) (m3/m3)
Cemento 371 3100 0,12
Agua 215 1000 0,22
Aire 0 0 0,03
Grava 807,1 2612 0,31
Arena 840,1 2534 0,33
Total 2232,9 1,00
Fuente 29: Alejandro Navarro y Horacio Forero
Ajuste de la cantidad de agua de mezclado debido a la humedad de los
agregados.
Se hace la corrección de peso seco a húmedo se realiza con la siguiente
ecuación.
Ecuación 7: Corrección peso seco a húmedo
Donde
M = Masa seca del agregado
H= Humedad del agregado
Aplicamos la ecuación 24 así:
78
Calculo del agua en exceso o en defecto respecto a la condición sss :
Ecuación 8: Agua en exceso o en defecto respecto a la condición SSS
Dónde:
A = Agua en exceso o en defecto respecto a la condición sss
M = Masa seca del agregado
H= Humedad del agregado
Abs= Absorción del agregado tanto por uno
Cuando la humedad es mayor que la absorción, indica que el agregado tiene
agua en exceso y está aportando agua a la mezcla, de tal forma que hay que
restarle agua a la mezcla y por lo tanto se debe usar el signo menos (-). Por el
contrario, cuando la absorción es mayor que la humedad indica que el
agregado necesita más agua para llegar a la condición sss, entonces hay que
agregarle agua a la mezcla puesto que hay defecto de esta, por lo tanto hay
que usar el signo positivo (+).
Aplicamos la ecuación 25 así:
Sumamos el agua de arena más el agua de grava:
En este caso tenemos que agregarle agua a la mezcla por que el porcentaje de
humedad es menor al de absorción.
79
Agua Real total de mezclado:
Tabla 159: cantidad de material para 1 m3 de concreto de 3000 PSI de resistencia. – ajustado.
Material Peso Densidad volumen
Ajuste por
Humedad
(Kg/m3) (kg/m3) (m3/m3) (kg/m3)
Cemento 371 3100 0,12 371
Agua 215 1000 0,22 246
Aire 0 0 0,03 0
Grava 807,1 2612 0,31 809
Arena 840,1 2534 0,33 841
Total 2232,9 1,00 2266
Fuente 30: Alejandro Navarro y Horacio Forero
80
Tabla resumen Diseño de Mescla por el método NRL 6.1.1.3.
20112079081
20112079031
kg/cm² Mpa
Especificada f'c________________210 21
kg/cm² De diseño f'cr 294 29
8 cm. %
2,5
(Pulgadas) 3/4
kg/m3 kg/m3 2612
% % 1,16
kg/m3 kg/m3 1452
kg/ m3 kg/m3 1534
% 0,22
% TMN (Pulgadas) 1/2
% angular
Ds aparente (Prom) 2573 Kg/m3
12. % Arena 50 13. % Gravilla
14. Cemnto (Kg) 371 15. Agua Lts o Kg
(16+15)
1 m3 -(17)
(18)*(12/100)
| 14 |
(Ds PROM)*(18)*(12)
(Ds PROM)*(18)*(13)
| 15 |
(21)*(1+Humedad A)
(22)*(1+Humedad G)
7,414 0,564 m3 AR = Agua Real
0,567 m3 0,2454462 m3
0,0761 m³/ Por bulto De cemento
0,077 0,0331067 m³/Por bulto. De cemento
31. Vol 9 Cilindros m3
Cemento = (31)× (14) 5,50 Arena = (31)× (21) = 12,23 Kg / Vol Cilindro
Grava = (31) × (22) 12,23 Agua Real=(31)x(15)= 3,64 Kg o Lts / Vol Cilindro
ROTURA A 7 DÍAS (Mpa) ROTURA A 14 DÍAS ROTURA A 28 DÍAS (Mpa)
40% 65% 100% 21
m³/ por bulto de cemento
0,01414
Kg / Vol Cilindro
Kg / Vol Cilindro
Aire atrapato
VOLUMEN ABSOLUTO (m3/m3 de concreto)
CANTIDADES EN PESO (Kg)
Obtimizacion de la granulometria por metodo grafico (RNL)
2,23
0,09
1550
1460
# 1
8. Absorción
10. Peso unitario compactado
9. Peso unitario suelto
16. Cemento (m3) =
0,32
0,64
AR.Agua Total (Kg)
0,12
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
2. Densidad aparente
Pasa Tamiz No.200
Humedad de la arena
Materia orgánica
5. Peso unitario apisonado
4. Peso unitario suelto
3. Absorción
1. Modulo de finura
3100
Cemex Marca
DISEÑO DE MEZCLA DE CONCRETO- RNLCALCULO DE PROPORCIONES-METODO RNL
DATOS DE LOS MATERIALES
Asentamiento deseado
Resistencia a 28 días
ELABORADO POR : ELLERLY ALEJANDRO NAVARRO JIMENEZ
HORACIO FORERO ROMERO
1.96
11. Densidad kg/m³
PROGRAMA DE TECNOLOGÍA EN CONSTRUCCIONES CIVILES E INGENIERÍA CIVIL
MARCA
cemex 8 13
23. Cemento = (14)/(50) bulto Bulto 50 Kg
29. Arena = (25)/(23)=
CANTIDADES EN VOLUMEN SUELTO (Bulto de cemento)
28. Grava (24)/(23)=
27. Cemento 1 bulto
24. Gravilla = (22)/(9) =
30. Agua Real = (26)/(23)=
26. Agua (AR)/1000 =
25. Arena = (21)/(4)=
Ajuste por Humedad de los agregados (Kg)
6. Tamaño máximo
ARENA CEMENTO AGREGADO GRUESO
2534
2,85
22. Grava (Kg)
Agua (Lts o Kg)
CANTIDADES PARA MEZCLAR ( Cilindros) con 5% perdida
CANTIDADES EN VOLUMEN SUELTO (m ³/m³ de concreto)
17. Cemento + agua (m3)
18. Volumen Agregados (m3)
Caracteristica de la Superficie
(18)*(13/100)19. Volumen de gravilla (m3) =
20. Volumen de la arena (m3) =
Cemento (Kg) = (14)
21. Arena (Kg)
Por m3 de Concreto
Humedad
824
824
215
215
50
245,4
7. Densidad aparente
0,32
371
11,3
19,1
Ecxeso o en defecto de AGUA
0,36
Arena (Kg)
Grava (Kg) 826
825Agua ARENA (Kg)
Agua GRAVA (Kg)
(Mpa)
Kg - 0,3%
0,0055
gr - 0,3%
5,5
Kg- 0,5%
0,009
gr - 0,5%
9,2
Cantidad de NanoTubos de Carbono (NTC)
Fuente 31: Alejandro Navarro y Horacio Forero
81
6.1.2. Dispersión de los nanotubos de carbono en el agua.
La forma en la cual se encuentren dispersos los nanotubos de carbono en el
concreto es muy importante para garantizar un buen comportamiento de los
nanotubos en el concreto, aunque se ha demostrado en otros estudios que
agregando los nanotubos de carbono en la mezcla de concreto sin aplicarle un
proceso previo de dispersión como aplicación de ultrasonidos en agua, o
dispersantes de alcohol etílico, ha generado un mejoramiento de la mezcla de
concreto.
El usar métodos de dispersión a los nanotubos de carbono para ser agregados
en el concreto, generara un mejor comportamiento y un mejoramiento
significativo de las propiedades finales.
6.1.3. Equipos para elaboración del concreto con nanotubos de carbono
Tamices 6.1.3.1.
De acuerdo a la norma NTC 32 que especifica las dimensiones y materiales de
tamices para ensayos adecuados de laboratorio, con un tejido en acero
cuadriculado en acero inoxidable, con un tejido plano, el alambre no debe estar
recubierto ni revestido por ningún material.
Probeta 6.1.3.2.
Probetas con una capacidad de 500 ml y 1000 ml, graduados cada 5 ml.
Balanza 6.1.3.3.
Con capacidad de 2200 g y una aproximación del 0.1 g.
Vibrador mecánico para mallas 6.1.3.4.
Tamizadora Mecánica: debe impartir un movimiento vertical, o un movimiento
lateral y vertical al tamiz, haciendo que las partículas presentes diferentes
orientaciones con respecto a la superficie del tamiz.
Charolas 6.1.3.5.
A conveniencia de las necesidades que se requieran en la elaboración de los
ensayos de laboratorio y la realización de la mezcla de concreto.
82
Palustre 6.1.3.6.
Triangular con mango de plástico o madera, plana de 15 cm de ancho o el
adecuado para el mezclado apropiado.
Máquina para compresión 6.1.3.1.
Con una capacidad de carga de 500KN y aproximación de 1 KN, con un control
hidráulico o mecánico, o ambos capaz de variar su velocidad de carga, una
placa metálica circular marcada con dos líneas diametrales perpendiculares
entre si sobre su superficie.
6.1.4. Preparación de las muestras
Se elaboran 3 muestras de referencia (REF) sin adición de nanotubos de
carbono, de acuerdo a las dosificaciones obtenidas con el método RNL, 3
muestras con una adición del 0.3% con relación al peso total del cemento y 3
muestras con el 0.5% de nanotubos de carbono de acuerdo al peso del
cemento.
Se mezcla durante de 10 a 15 min manualmente con palustre, de manera
constante y uniforme evitando al máximo la perdida de agua.
Se utilizaron moldes o probetas cilíndricos de 4 pulgadas de diámetro con 8
pulgadas de longitud, manteniendo una relación 1:2 de acuerdo a las normas
establecidas, con respecto a su diámetro y longitud.
Los moldes deben estar perfectamente sellados para evitar la pérdida de agua,
y previamente embadurnados con el desmoldante al momento de fundir.
Al transcurrir 24 h de fundir se procede a desencofrar, y colocar las muestras
en agua a 25 °C más o menos 4 °C durante 28 días para que adquieran su
máxima resistencia.
Parama tener la temperatura correcta se mantiene en una peseta con agua a
temperatura controlada con un termostato capas de graduarse a una
temperatura de 22°C a 28°C, la peseta se mantuvo en un lugar con techo fuera
del contacto con la lluvia y agentes externos que pudieran afectar o dañar las
muestras.
6.1.5. Materiales necesarios
Arena 6.1.5.1.
Arena de rio que cumpla con los ensayos realizados en 6.1.1
Grava 6.1.5.2.
Grava de rio que cumpla con los ensayos realizados en el inciso 6.1.1
83
Agua 6.1.5.3.
Agua potable, se utilizó agua embotellada para garantizar así una agua
funcional y cumplir con el agua requerida para un concreto hidráulico.
Nanotubos de carbono de múltiple pared 6.1.5.4.
Las características están representados en la tabla 787, su estructura se
encuentra representada en la ilustración 8, su forma vista bajo el microscopio
electrónico es de fibras alargadas (ver anexo A) este material fue suministrado
por Nanostructured & Amorphous Materials, Inc. De Houston Texas USA.
Tabla 1610: Propiedades de los Nanotubos de Carbono de Múltiple pared (NTC).
Pureza 95%
Diámetro exterior 10-20 nm
Diámetro interior 5-10 nm
Longitud 30-100 um
Superficie especifica > 165 m2/g
Color Negro
Temperatura de ignición 661 oC
Conductividad eléctrica > 1250 S/cm
Densidad 2,0 g/cm3
Fuente 32: www.nanoamor.com
Lubricante o desmoldante 6.1.5.5.
Desmoldante de aceite mineral grueso.
Cemento 6.1.5.6.
Cemento Marca Cemex de uso General.
6.1.6. Ensayo a compresión
El ensayo consiste en aplicar una carga axial de compresión a cilindros
moldeados o a núcleos, a una velocidad de carga prescrita, hasta que se
presente la falla. La resistencia a la compresión del espécimen se determina
dividiendo la carga aplicada durante el ensayo por la sección transversal de
éste.
Después de estar las muestras cilíndricas sumergidas en agua durante los 28
días de curado, se procede a realizar el ensayo a compresión.
6.2. Resultados obtenidos
El aumento en la resistencia del concreto fue de 11.7% con respecto a la
resistencia de los cilindros de referencia (REF) para un valor del 0.3% de
84
nanotubos de carbono con respecto a la masa del cemento, para el valor de
0.5% de nanotubos de carbono fue de 10.2%.
Tabla 1711: Resultados ensayo compresión de cilindros 28 días
Resistencia a compresión de cilindros (Mpa)
Cantidad de NTC (%)
% aumento de resistencia
Cilindro REF 0,3% 0,5% 0,3% 0,5%
1 21,0 23,04 22,80
2 20,6 23,28 22,68
3 20,9 23,52 23,40
Promedio 21 23,3 23,0 11,7 10,2
Fuente 33: Alejandro Navarro y Horacio Forero
Ilustración 16: Resistencia a la compresión a 28 días referencia y con adición de NTC
Fuente 34: Alejandro Navarro y Horacio Forero
Los valores obtenidos respecto a la cantidad de NTC que se agregó a la
mezcla de concreto, presentaron un aumento en la resistencia a la compresión
para el 0.3% de NTC de cuerdo a la masa de cemento, para las muestras con
0.5% de NTC el aumento de su resistencia fue similar a la obtenida con 0.3%,
se tomara el 0.3% como la cantidad apropiada para un máximo aumento en la
resistencia a la compresión, claramente para tener seguridad de lo dicho es
necesario muchas más muestras y así poder generar un cuadro de
comportamiento que se pueda aceptar.
La dispersión de los nanotubos de carbono es de gran importancia para poder
obtener buenos resultados y el aumento mayor de la resistencia del concreto,
al ser adicionado manualmente en la mezcla la fluidez del concreto se ve
afectada reduciendo su manejabilidad, demostrando la importancia de estudiar
una manera correcta para la dispersión de los nanotubos de carbono.
20
20
21
21
22
22
23
23
24
Resistencia a la Compresion a 28 Dias
Referencia 0,30% 0,50%
85
Tabla 1812: Ventajas y Desventajas del uso de Nanotubos de Carbono en Concreto
Característica Ventajas Desventajas
Costos económicos
Reducir costos de mantenimiento de las estructuras en concreto, al mejorar sus propiedades físicas.
No se produce en todos los países por lo cual toca importarlo aumentando su valor económico.
Resistencia a la compresión
Aumento de la resistencia a la compresión del concreto hasta un 12%
Posible aumento de la rigidez disminuyendo su flexibilidad.
manejabilidad
Mantiene su manejabilidad, si se usa un supe plastificante.
Disminuye su manejabilidad, puede generar poros y disminuir su resistencia su viscosidad aumenta.
Dispersión
Mayor dispersión mejora las características físicas del concreto.
No es fácil su dispersión sin usar ultrasonidos u alguna solución liquida que ayude a su dispersión.
Fuente 35: Alejandro Navarro y Horacio Forero
Actualmente la implementación de los nanotubos de carbono se ve muy lejos,
por ser un material poco común, y por las incertidumbres que aún existen del
uso de este material, lo cual aún abre puertas para el estudio y avance en esta
rama, a futuro generar materiales híbridos, capaces de trabajar mejorar en casi
todos sus propiedades para ser utilizados en diversos campos de trabajo en la
sociedad.
86
CONCLUSIONES
La implementación en de nanotubos de carbono en las mezclas de
concreto es un tema que poco se ha abarcado en Colombia, nos
encontramos en un campo nuevo de investigación y desarrollo, con este
experimento se pretende tomar iniciativa en las investigaciones de
nuevos materiales para el concreto como lo es los nanotubos de
carbono (NTC), buscando un nuevo camino y mejoramiento para el
concreto convencional incursionando en la aplicación de nanotecnología,
buscando mejorar sus propiedades iniciando de las partículas más
pequeñas.
La incorporación de nanotubos de carbono en la mezcla de concreto si
aumento su resistencia a la compresión, 11.7% de mejoramiento con
una proporción del 0.3% de nanotubos con respecto a la masa total de
cemento del diseño de mezclas propuesto, un 10.2% aumento de
resistencia al 0.5% de nanotubos, comparando los resultados con
muestras patrón llamada Referencia (REF), el aumento de la resistencia
a la compresión con 0.3% y menor resultado con 0.5%, no es
significativa, se deberían realizar muchas muestras para así poder tener
un soporte estadístico.
La dispersión de los nanotubos de carbón se realizó de manera manual
incorporándolas directamente en la mezcla de concreto ( ver anexo B),
tratando de simular un ambiente más realista puesto en obra, para poder
observar cómo se comporta este material de una manera más práctica.
En otros estudios se puede observar que la dispersión de los nanotubos
de carbono se realiza utilizando ultrasonidos en el agua y así pudiendo
dispersar e hidratar los nanotubos para después incorporarlos en la
mezcla.
La adición de nanotubos de carbono de manera directa en la mezcla de
concreto género que este perdiera manejabilidad al momento de hacer
el vaciado en los cilindros de prueba, este efecto se puede explicar por
la área de contacto que poseen estos nanotubos de 165 m2/g, esto
causa que las moléculas de agua tengan que hidratar una superficie
mayor en la mezcla de concreto.
para un futuro uso e implementación de los nanotubos de carbono es
recomendable la adición de más agua en la mezcla, claro está que no es
en este momento posible saber la exactitud de la cantidad de agua
adicional de acuerdo al volumen de nanotubos que se agregue a la
mezcla de concreto, con lo cual se podrá utilizar un plastificante para así
mantener su fluidez sin afectar la resistencia deseada.
87
Los nanotubos de carbono por su tamaño tan pequeños de 100 um de
longitud y un diámetro de hasta 20 nm, pueden inferir en el
comportamiento del concreto en la cantidad de poros que llegue a tener
la mezcla, puesto que sus materiales son todos porosos, por la
aplicación de nanotubos hará que estos poros sean sustituidos por los
nanotubos aumentando así sus propiedades físicas.
Al tratar la estructura cementante a nivel molecular de la mezcla e
concreto podremos disminuir la cantidad de refuerzo en acero de las
estructuras, controlando también las micro fisuras de las estructuras que
al paso del tiempo se deterioran.
el costo de los nanotubos de carbono es bastante elevado, teniendo en
cuenta que es un material que se ha tenido que importar de los estados
unidos (ver anexo C), en Colombia no es posible en estos momentos
encontrar un distribuidor oficial que garantice un material optimo,
actualmente sería imposible la implementación de esta tecnología en
nuestro país de manera industrial, tanto por su falta de investigación y
conocimiento del comportamiento de esta adición en la mescla de
concreto como por su precio que es bastante elevado.
Al ser este un tema que aún se está desarrollando y las pocas bases en
literaturas, se abarca principalmente el tema de la resistencia a
compresión del concreto dejando para estudios más avanzados ya la
realización de los demás propiedades del concreto, dejando como punto
base este estudio echo para tecnología en construcciones civiles y
proyectado para más análisis en cursos más avanzados como ingeniería
civil.
La nanotecnología se está implementando a nivel mundial de manera
impresionante, las investigaciones empiezan a generar resultados que
se están saliendo de nuestra lógica, y es difícil de comprender que estos
materiales sean nuestro siguiente paso en la construcción, nuevos
desafíos están por llegar y los materiales también empiezan allegar a su
límite, la investigación e innovación es nuestra única salida, el hombre
no se detendrá y nuestros materiales de construcción ira siempre a la
par con la evolución humana, el futuro es a hora.
Un aumento en la cantidad de nanotubos agregados al concreto, nos
puede llevar a un mejor rendimiento y resultado del concreto, por ser
una partícula tan pequeña llenara los poros y fisuras en el concreto
mejorando su comportamiento mecánico.
88
RECOMENDACIONES
En el proceso de mezclado entre el concreto y los nanotubos de carbono
se observa como la mezcla se tiende a volver menos manejable que la
mezcla de concreto sin NTC, este efecto de los nanotubos de carbono
en el concreto que le hacen perder manejabilidad a la mezcla, se puede
explicar por la gran superficie que se tiene que hidratar de los nanotubos
de carbono, estos poseen 165 m2/g una gran superficie que tendrá que
ser hidratada, con una mejor dispersión de los nanotubos y una pre-
hidratación, ósea antes de ser agregados a la mezcla de concreto se
podría generar un mejor comportamiento de la plasticidad de la mezcla
final y la no utilización de aditivos plastificantes para que mantenga su
manejabilidad, al dispersar nanotubos de carbono en agua con
ultrasonidos, se obtendrá una mezcla con partículas suspendidas,
basado en otros estudios se garantiza que trascurrido 24 horas del
momento que se aplica ultrasonido los nanotubos se mantienen
suspendidos y garantizan su correcta dispersión en el agua.
Al tener una mayor superficie que hidratar la manejabilidad del concreto
disminuirá aumentando su viscosidad por lo cual se recomienda al usar
los nanotubos de carbono como refuerzo en el concreto usar un supe
plastificante, el cual nos mantendrá la manejabilidad al momento del
vaciado y no afectara la resistencia a los esfuerzos del concreto.
Una manera de poder garantizar una dispersión más apropiada es
aplicando ultrasonidos en el agua para así poder dispersar de manera
más efectiva los nanotubos de carbono, en este experimento no se
realizó este procedimiento, para observar de manera más practica como
es el comportamiento de los nanotubos de carbono, siendo adicionados
de forma más simple como lo es incorporarlos directamente al momento
de mezclado.
Para obtener un resultado más exacto se recomienda realizar al menos
100 muestras para así poder tener en cuenta valores de estadística, y
generar un resultado más exacto reduciendo el valor de error o falla en
las muestras de concreto.
Al incluir los nanotubos de carbono al concreto disminuirá los poros en la
mezcla por lo cual aumentara su resistencia a compresión, al tener
menos espacios y fisuras, aumentaría a flexión y tensión, estudios que
se pueden llevar más adelante para conocer más detalles de las
propiedades generadas al usar nanotubos.
89
Se recomienda analizar el proceso de hidratación del cemento con los
nanotubos de carbono, se puede mejorar se puede mejorar la superficie
de los nanotubos de carbono para que en el proceso de hidratación de la
pasta de cemento se creen enlaces más fuertes de los nanotubos de
carbono con el cemento.
Se recomienda estudiar qué efectos puede tener el uso de ultrasonidos
para la dispersión de los nanotubos y el uso de agentes dispersante, que
ocasiona esto en los nanotubos y el concreto.
90
ANEXOS
Anexo A: Estructura de los nanotubos de carbono vista bajo microscopio electrónico.
Fuente 36: Alejandro Navarro y Horacio Forero
91
Anexo B: Incorporación de nanotubos de carbono de forma manual directamente en la mezcla.
Fuente 37: Alejandro Navarro y Horacio Forero
92
Anexo C: Ensayos necesarios a los agregados para el desarrollo del diseño de
mezclas.
Análisis granulométrico (NTC-77)
Para el agregado Grueso
Tabla 19: Granulometría agregado Grueso optimizada.
Tamiz Tamiz (mm)
W Retenido
(g)
% Retenido
% Retenido Acumulado
% Pasa
3/4" 19 0 0 0 100
1/2" 12,5 499,7 10 10 90
3/8" 9,5 1961,8 39 49 51
1/4" 6,3 1928,0 39 88 12
No.4 4,76 578,6 12 99 1
Fondo 32,0 1 100 0
Sumatoria 5000 100
Fuente 38: Alejandro Navarro y Horacio Forero
Para el agregado Fino
Tabla 20: Granulometría agregado fino optimizado.
Tamiz Tamiz (mm)
W Retenido Corregido (gr)
% Retenido
% Retenido Acumulado
% Pasa
N°4 4,76 0,22 0,03 0,0 100,00
N°8 2,36 74,21 9,28 9,3 90,72
N°10 2 20,82 2,60 11,9 88,12
N°16 1,18 122,30 15,29 27,2 72,83
N°20 0,85 122,36 15,30 42,5 57,54
N°30 0,60 157,27 19,66 62,1 37,88
N°40 0,42 187,47 23,43 85,6 14,44
N°50 0,30 24,76 3,10 88,7 11,35
N°100 0,15 74,60 9,33 98,0 2,02
N°200 0,075 15,76 1,97 100,0 0,05
Fondo 0,21 0,0 0,0
Sumatoria 800 100
Fuente 39: Alejandro Navarro y Horacio Forero
93
Peso específico y absorción de agregado grueso (NTC- 176) y
agregado fino (NTC-237).
DATOS OBTENIDOS EN LABORATORIO
Tabla 2113: Datos obtenidos peso específico Agregado Grueso
muestra Agregado grueso (g) 4000
peso (SSS) (g) 4037,6
Peso en inmersión (g) 2513,4
Peso Seco (g) 3991,3
Densidad del agua (kg/m3) 1000
Fuente 40: Alejandro Navarro y Horacio Forero
RESULTADOS
Tabla 2214: Resultados Peso específico y absorción agregado Grueso.
Agregado Grueso
Ds aparente (g/cm3) 2,61
Ds (SSS) (g/cm3) 2,64
Ds nominal (g/cm3) 2,69
% absorción 1,16
Fuente 41: Alejandro Navarro y Horacio Forero
94
Ensayo para el agregado fino NTC 232
DATOS OBTENIDOS EN LABORATORIO
Tabla 2315: Resultados de laboratorio agregado fino peso específico
Peso picnómetro (g) 263
peso(Ppic+Agua+Material) (g) 1570,5 C
W(platón) (g) 829
Peso seco (platón + arena) (g) 1318,1
peso arena (SSS)(g) 500 S
peso de agua(W(b+ww+asss)-Wb-Wasss) 807,5
Peso Seco (Ws(p+a)-Wp) 489,1 A
Volumen de picnómetro (cm3) 1000
Densidad del agua (g/cm3) 1
Masa picnómetro lleno con agua (g) 1263 B
Fuente 42: Alejandro Navarro y Horacio Forero
RESULTADOS
Tabla 2416: Resultados Peso específico y absorción Agregado Fino
Agregado fino
Ds aparente (g/cm3) 2,53
Ds (SSS) (g/cm3) 2,60
Ds nominal (g/cm3) 2,69
% absorción (g/cm3) 2,23
Fuente 43: Alejandro Navarro y Horacio Forero
ANALISIS DE RESULTADOS
GRAVA: El porcentaje de absorción de 1.16% para el agregado
grueso es el apropiado, a pesar de que no hay valores límites
establecidos por la cantidad de factores que pueden influir en este
resultado, por muchos resultados de laboratorios realizados
anteriormente se recomienda una absorción no mayor de 3% para el
agregado grueso, con lo cual se puede decir que tenemos un
agregado de baja absorción.
La densidad aparente de nuestra muestra de agregado grueso es de
2.61 g/cm3 los límites de aceptación de acuerdo a la norma son de
95
2.33 g/cm3 a 2.75 g/cm3, por lo tanto nuestro material si cúmplelos
requisitos para ser usado en diseños de concreto.
La densidad nominal del agregado grueso fue de 2.69 g/cm3 esto
determina la porosidad del material, entre mayor valor de la densidad
nominal menor será la porosidad o huecos de vacíos.
ARENA: El porcentaje de absorción de nuestro agregado fino es de
2.23% siendo mayor que el del agregado grueso, aun así se
encuentra en un rango aceptable se recomienda que no tenga un
valor mayor al 5%.
La densidad aparente de nuestro agregado fino fue de 2.53 g/cm3
según los límites de aceptación de la norma son de 2.21 g/cm3 a
2.67 g/cm3, nuestro material esta entre estos límites y es apropiado
para la elaboración de concretos.
La densidad nominal del agregado fino fue de 2.69 g/cm3
96
Masas unitarias y porcentajes de vacíos NTC 92.
DATOS OBTENIDOS EN LABORATORIO
Tabla 2517: Datos necesarios de los materiales para masas unitarias.
Recipiente para agregado Grueso
Peso recipiente vacío(g) 4057,2
recipiente + agua (g) 13261,7
peso agua(g) 9204,5
Temperatura del agua (°C) 18,5
Recipiente para agregado Fino
Peso recipiente vacío(g) 5585,9
recipiente + agua (g) 8412,3
peso agua(g) 2826,4
Temperatura del agua (°C) 18,5
Fuente 44: Alejandro Navarro y Horacio Forero
RESULTADOS
Tabla 26: Resultados masas unitarias de agregados.
Unidad
volumen molde grava 0,009 m3
volumen molde arena 0,003 m3
GRAVA M.Unitaria Suelto 1452,18 Kg/m3
M.Unitaria Compactado 1533,89 Kg/m3
ARENA M.Unitaria Suelto 1460,15 Kg/m3
M.Unitaria Compactado 1549,57 Kg/m3
Fuente 45: Alejandro Navarro y Horacio Forero
ANALISIS DE RESULTADOS
Los rangos de aceptación según la norma son los siguientes:
1200 – 1500 (Kg/m3) para MUS (Masa Unitaria Suelta)
1400 – 1700 (Kg/m3) para MUC (Masa Unitaria Compactada)
Estos valores se aplican para tanto gravas como arenas, con lo cual podemos
asegurar que nuestro material cumple con lo establecido en la norma al
mantenerse en los rangos límites, para el uso en concretos.
97
Contenido aproximado de materia orgánica en la arena NTC 127
RESULTADOS
Luego de que pasaron las 24 horas se compara el color de la mezcla con la
regla de colores orgánica, a continuación se muestra el color que dio como
resultado nuestro agregado fino.
Ilustración 17: Colorimetría del agregado fino
Fuente 46: Alejandro Navarro y Horacio Forero
Como se puede apreciar en la imagen tenemos un color muy claro y podemos
asegurar que es nos da un resultado de No.1 en contenido de materia orgánica
en el agregado fino.
CONCLUSIONES
El agregado fino que se evaluó nos marcó No.1 en la placa orgánica de
colores con lo cual es apropiado para el uso en concretos, solo se
acepta si el valor es menor o igual a No.3.
Es importante tener en cuenta el contenido de materia orgánica, cuando
se posee depósitos de vegetales o animales en el agregado se verá
afectado su resistencia, durabilidad y en punto de hidratación del
cemento estas reacciones químicas se ven afectadas dándonos
resultados inesperados.
98
Resistencia al desgaste o abrasión NTC 98
DATOS OBTENIDOS EN LABORATORIO
Tabla 27: Resultados de laboratorio en Maquina de los Ángeles
gradación B
30 a 33 rpm equivalente en vueltas (giros) 500
masa total de agregado grueso (g) 5000 Masa inicial
# de esferas por gradación 11
peso seco material lavado sobre el tamiz No.12 (g) 4141,6 Masa final
Fuente 47: Alejandro Navarro y Horacio Forero
RESULTADOS
Porcentaje de desgaste por abrasión en máquina de los Ángeles de acuerdo a
la norma NTC 98 es = 17.2%
CONCLUSIONES
de acuerdo al resultado de abrasión en máquina de los Ángeles de
17.2% de porcentaje de desgaste con relación a su masa total inicial,
tenemos un material con buena resistencia al desgaste de acuerdo a la
norma, el límite máximo es menor o igual a 35%, para materiales
apropiados en el uso de concretos.
Por su buena resistencia al desgaste se podría decir que es un material
de canto rodado triturado semi-redondeado por su alta resistencia a la
abrasión.
99
Determinación de la resistencia del agregado grueso al desgaste
por abrasión utilizando el aparato MICRO-DEVAL I.N.V.E – 238-07
DATOS OBTENIDOS EN LABORATORIO
Tabla 18: Datos de laboratorio Micro-Deval
Masa Inicial (g) 1500
masa esferas de acero (g) 5000
Tiempo (minutos) 105
# de revoluciones 10500
Gradación TMN < 16 mm
TMN (mm) 12,5
Masa Final (g) 1289,8
Fuente 48: Alejandro Navarro y Horacio Forero
RESULTADOS
Tabla 19: Resultado abrasión Micro-Deval
% de perdida por abrasión 14
Fuente 49: Alejandro Navarro y Horacio Forero
Método para Determinar partículas planas, alargadas o planas y
alargadas en agregados gruesos.
DATOS OBTENIDOS EN LABORATOIO
Tabla 30: Resultados aplanamiento y alargamiento
Aplanamiento Alargamiento
pasa Tamiz
Retiene Tamiz
Peso Retenido
(g)
% retenido
Pasa (g)
Retenido (g)
Pasa (g) Retenido
(g)
3/4" 1/2" 151,7 7,6 71 79,9 144,8 6
1/2" 3/8" 766,9 38,3 236,3 530,7 539,8 227,12
3/8" 1/4" 831,8 41,6 198 631,7 364,3 465,8
Fondo 249,6 12,5
2000 100
Fuente 50: Alejandro Navarro y Horacio Forero
100
RESULTADOS
Tabla 31: Resultados aplanamiento y alargamiento de agregados Gruesos
Índice de aplanamiento (%) 16
Índice de alargamiento (%) 10
Fuente 51: Alejandro Navarro y Horacio Forero
101
Anexo D: Análisis de Precios Unitarios (APU) Para concreto 3000 PSI un Cilindro de 10x20 (Diámetro x Altura)
MUNICIPIO :
BOGOTA - CUNDINAMARCA
DESCRIPCIÓN:
Mezcla, fundida y curado de Un cilindro UNIDAD:m3
I. EQUIPO
DESCRIPCION UND PRECIO UNIT CANTIDAD VALOR UNIT.
Balde para mezclar Und $ 5,000.00 1.00 $ 5,000.00
Palustre Und $ 4,500.00 2.00 $ 9,000.00
Varilla 1/2" Kg $ 15,000.00 0.50 $ 7,500.00
Batea para curado Und $ 12,000.00 1.00 $ 12,000.00
Resistencia Eléctrica para temperatura del curado Und $ 30,000.00 1.00 $ 30,000.00
SUBTOTAL EQUIPO
$ 63,500.00
II. MATERIALES
DESCRIPCION UND. PRECIO UNIT CANTIDAD VALOR UNIT.
Tuvo PVC - 3m ML $ 12,000.00 0.25 $ 3,000.00
Cemento Cemex Bulto $ 21,500.00 0.11 $ 2,365.00
Grava Kg $ 680.00 1.358 $ 923.44
Arena de rio Kg $ 680.00 1.358 $ 923.44
Aceite mineral Lt $ 4,000.00 0.001 $ 4.00
102
Agua Lt $ 400.00 0.404 $ 161.60
Nanotubos de carbono gr $ 13,920.00 2.77 $ 38,558.40
SUBTOTAL MATERIALES
$ 45,585.78
III. RANSPORTE
DESCRIPCION UND. TARIFA CANTIDAD VALOR UNIT.
Transporte de Nanotubos de carbono: Houston, Texas USA - Bogotá, Colombia
Viaje $246,500.00 1.00 $ 246,500.00
SUBTOTAL TRANSPORTE
$ 246,500.00
IV. MANO DE OBRA
DESCRIPCION UND. JORNAL PREST JORNAL TOTAL RENDIMIENTO VALOR UNIT.
Cuadrilla AA (1 Oficial + 2 Ayudantes) Hora -
cuadrilla 8.00 2% 1.00 75.87 $ 75.87
SUBTOTAL MANO DE OBRA
$ 75.87
TOTAL COSTO DIRECTO
$354,196.65
Fuente 52: Alejandro Navarro y Horacio Forero
103
BIBLIOGRAFIA
NTC 32: 1991, Ingeniería Civil y Arquitectura. Tamices de tejido de
alambre para ensayos (ASTM E 11).
NTC 77: 1994, Ingeniería Civil y Arquitectura. Método para el análisis por
tamizado de los agregados finos y gruesos (ASTM C 136)
NTC 78: 1995, Ingeniería Civil y Arquitectura. Método para determinar
por lavado el material que pasa el tamiz 75 mm en agregados minerales
(ASTM C 117).
NTC 92: 1995, Ingeniería Civil y Arquitectura. Determinación de la masa
unitaria y los vacíos entre partículas y agregados (ASTM C 29)
Introducción a los nanomateriales ;
http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria/mecanica/mat/mat_
mec/m6/Introduccion%20a%20los%20nanomateriales.pdf
Nanotecnología en Colombia ;
http://nanotechcol.blogspot.in/p/nanotecnologia-en-colombia.html
Nanotecnología: Usos Y Aplicaciones ;
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Nanotecnología, Riesgos y Beneficios ;
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beneficios/nanotecnologia-riesgos-y-beneficios.shtml
Nanotecnología - Aplicaciones actuales ;
https://es.wikipedia.org/wiki/Nanotecnología#Aplicaciones_actuales
Aplicación de la nanotecnología en la construcción ;
http://civilgeeks.com/2014/04/07/aplicacion-de-la-nanotecnologia-en-la-
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Nanotecnología aplicaciones en la construcción ;
http://www.monografias.com/trabajos87/nanotecnologia-aplicaciones-
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Hormigón con nanoingeniería podría disminuir emisiones de CO2 ;
http://www.solociencia.com/quimica/07030503.htm
104
La nanotecnología aplicada al Concreto ;
http://blog.360gradosenconcreto.com/la-nanotecnologia-aplicada-al-
concreto/
Nanotubos de carbono ; http://www.nanotubosdecarbono.com
Nanotubos de carbono y la ingeniería de tejidos ;
http://www.madrimasd.org/blogs/ingenieriamateriales/2012/03/25/347/
Nanotecnología : Nanotubos de Carbono ;
http://www.monografias.com/trabajos99/nanotecnologia-nanotubos-
carbono/nanotecnologia-nanotubos-carbono.shtml
Deposición Química de Vapor ;
https://es.wikipedia.org/wiki/Deposición_química_de_vapor
Síntesis de Nanotubos de Carbono ;
http://juanperdomo.webnode.com.co/news/sintesis-de-nanotubos-de-
carbono-ntc-/
Métodos de síntesis de nanotubos de carbono;
https://lidiaconlaquimica.wordpress.com/2016/01/18/metodos-de-
sintesis-de-nanotubos-de-carbono/
Nanotecnología (Nanotubos) ;
http://nanotecnologiaynanotubos.blogspot.in/2012/05/que-son-
nanotubos-y-tipos.html
Nanotubos de Carbono; http://www.carbonalfa.com/nanotubos-de-
carbono.html
Estructura de los Nanotubos de Carbono ;
https://lidiaconlaquimica.wordpress.com/2015/09/04/estructura-de-los-
nanotubos-de-carbono/
A través del espejo : Nanotubos de Carbono ;
http://www.fisica.unam.mx/noticias_atravesdelespejonanotubos2013.php
Los nanotubos de carbono ;
http://www.monografias.com/trabajos93/nanotubos-de-
carbono/nanotubos-de-carbono.shtml
105
Materiales con nanotubos de carbono ;
http://www.aitiip.com/en/news/materiales-con-nanotubos-de-
carbono.html
Julio A. Alonso, “Propiedades de los nanotubos de carbono. Que
los hace interesantes?”
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Estructura y síntesis de los nanotubos de carbono ;
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Granulometría del agregado (Grueso y Fino);
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