J08-Marcelo González - Nanotecnología Fundamentos y beneficios para los pavimentos de hormigón

Nanotecnología: Fundamentos y
beneficios para los pavimentos de
hormigón
Marcelo González H. (PhD)
Profesor Asistente Escuela de Ingeniería
Pontificia Universidad Católica de Chile

AGENDA
‣ Antecedentes generales
‣ Definición de nanotecnología y fundamentos
‣ Principales nanomateriales
‣ Beneficios para los pavimentos de hormigón
‣ Conclusiones y reflexiones finales

‣ Presentación personal
Marcelo González H.
Ingeniero Civil, MSc, PhD.
Profesor Asistente
Departamento de Ingeniería y Gestión de la Construcción
Cursos:
ICC3434 Construcción de Obras Industriales
ICC2104 Tecnología de Materiales de Ingeniería Civil
ICC3160 Técnicas Avanzadas de Construcción con Hormigón*
ICC3170 Nanotecnología Aplicada a la Industria de la Construcción*
(*): Modalidad de 5 créditos
Director Iniciativa “Grupo de Innovación en Construcción con Hormigón”
http://www.grupohormigon.uc.cl

‣ Presentación personal
Nanotechnology Applied in the Design of the Next Generation of Canadian
Concrete Pavement Surfaces. Developed in partnership with the Cement
Association of Canada (CAC), Ministry of Transportation Ontario (MTO) and The
Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC).
Task Force on Nanotechnology-Based Concrete Materials, AFN15T.
Transportation Research Board of the National Academies – USA. April
2013 to July 2015.
Basic Research and Emerging Technologies Related to Concrete, AFN10.
Transportation Research Board of the National Academies – USA. July 2015
to present.

‣ Invitación a conferencia

‣ Antecedentes generales
Referencias de nanotecnología

‣ Definición de nanotecnología y fundamentos
¿Qué es la Nanotecnología?
Nanotecnología es la ciencia, ingeniería y tecnología que permite manipular
los materiales a dimensiones menores a 100 nn (nanómetros) ((Schodek et al.,
2009), (National Nanotechnology Inniciative, 2017)). 1 nm = 10 -9 m
REF: http://www.quimicaviva.qb.fcen.uba.ar/v11n3/castro.html

‣ Definición de nanotecnología y fundamentos
¿Qué es la Nanotecnología?
Nanotecnología es la ciencia, ingeniería y tecnología que permite manipular
los materiales a dimensiones menores a 100 nn (nanómetros) ((Schodek et al.,
2009), (National Nanotechnology Inniciative, 2017)). 1 nm = 10 -9 m

‣ Clasificación de los nanomateriales
Clasificación de los nanomateriales:
0-D, 1-D, 2-D and 3-D
Ref: (Schodek et al., 2009)
Schodek, D. L., Ferreira, P., & Ashby, M. F.
(2009). Nanomaterials, nanotechnologies and
design: an introduction for engineers and
architects. Butterworth-Heinemann.

‣ Principales nanomateriales
• Nanosilice (NanoSiO 2 )
• Nano-TiO 2
• Nanotubos de Carbono
Ref: González M., 2014.

‣ Definición de nanotecnología y fundamentos
¿Qué hace que la nanotecnología sea atractiva? (Resumen)
Superficie específica (se requiere
poca cantidad)
Fenómeno de nucleación
Nuevas propiedades, etc.
Tamaño de partícula
Limitaciones de la nanotecnología en la actualidad (Versión MG)
Costo, falta de difusión de experiencias a escala real, dispersión en escala
industrial, emisión de CO 2 en la nanofabricación, etc.

‣ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen)

Compressive Strength (MPa)
‣ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen)
• Mejoras en propiedades mecánicas
*: Nanosilice en polvo
80
ASTM C109-11
70
60
50
40
R² = 0.84
R² = 0.25
R² = 0.72
R² = 0.82
ASTM C39/C39M-12
30
20
10
0
W/C=0.39 mortars
W/C=0.45 mortars
W/C=0.39 PCC
W/C=0.45 PCC
Linear (W/C=0.39 mortars) Linear (W/C=0.45 mortars)
Linear (W/C=0.39 PCC)
Linear (W/C=0.45 PCC)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
% Nanosilica
Ref: González M., 2014.

BPN
BPN
‣ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen)
• Mejoras en fricción (Broom finishing)
ASTM E303-93 (2008)
70
BPN 28 Days
60
50
40
30
20
10
0
0.0 0.5 1.0 1.5
% Nanosilica
Ref: González M., 2014.
(W/C = 0.31)
70
60
50
40
30
20
10
0
28 Days
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
% Nanosilica
(W/C = 0.39)

‣ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen)
Fz
Fh
T = Fh / Fz
• Mejoras en fricción (Smooth finishing (Tribometer)) ASTM E303-93 (2008)
T
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
28 days - 50 g force
28 days - 100 g force
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
% Nanosilica
Ref: González M., 2014.
(W/C = 0.39)

‣ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen)
Flat surface
Rough surface
Adhesion
Depends mostly on
micro-level surface
roughness
Hysteresis
Depends mostly
on macro-level
surface roughness
Ref: González M., 2014.

‣ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen)
• Mejoras en
fricción
Friction response
SEM images
comparing
surface texture
Ref: González M., 2014.
M
o
r
t
a
r
C
o
n
c
r
e
t
e
0.0% Nanosilica
1.5% Nanosilica

‣ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen)
• Mejoras en durabilidad (Mayor relevancia a partir de la “nueva” NCH170)
Rotating-cutter drill press
ASTM C944
Ref: González M., 2014.

Loss of weight (g)
Rotating-cutter drill press
‣ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen)
• Mejoras en durabilidad
ASTM C944
Broom
Smooth
Ref: González M., 2014.
10
7 Days - Broom 28 Days - Broom
9
7 Days - Smooth 28 Days - Smooth
8
Linear ( 7 Days - Broom) Linear (28 Days - Broom)
7
Linear (7 Days - Smooth) Linear (28 Days - Smooth)
6
5
4
3
2
1
0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
% Nanosilica
(W/C = 0.39)

Surface Resistivity (kΩ-cm)
Surface Resistivity by kilogram of cement (kΩ-cm/kg
cemento)
‣ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen)
• Mejoras en durabilidad
Penetración del ion cloruro según AASHTO T358-15
Broom
40,0
35,0
30,0
25,0
20,0
15,0
Smooth
10,0
INVESTIGACIÓN ACTUAL
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
Resistividad
Penetración Ion
Superficial
Cloro
kΩ ⋅ cm
Alta < 12
Moderada 12 - 21
Baja 21 - 37
Muy baja 37 - 254
Despreciable > 254
5,0
0,01
0,0
1 2 3 4 5 6 7 8 Control
0
Mix design
Surface Resistivity by kilogram of cement
Surface Resistivity
Ref: L. Brescia & González M., 2019.

Relative dynamic modulus of elasticity
‣ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen)
*: Ensayo diferente a la NCh
• Mejoras en durabilidad (Hielo-Deshielo)
100
95
90
85
80
75
0.0% nanosilica
70 1.0% nanosilica
65 2.0% nanosilica
60
0 50 100 150 200 250 300 350
Number of cycles
ASTM C666 (2008)

Loss of mass after 324 cycles (%)
‣ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen)
• Mejoras en durabilidad (Hielo-Deshielo)
0.0% Nanosilica
0.25
0.20
Loss of mass (%)
0.15
2.0% Nanosilica
2.0% Nanosilica
0.10
0.05
0.00
0.0 1.0 2.0
% Nanosilica
Ref: González M., 2014.

‣ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen)
• Mejoras en durabilidad (Hielo-Deshielo)
0.0% Nanosilica 2.0% Nanosilica
W/C = 0.39
10 m 10 m
W/C = 0.45
Ref: González M., 2014.
100 nm 100 nm
23

‣ Conclusiones y reflexiones finales

‣ Conclusiones y reflexiones finales
✓ La nanotecnología y los nanomateriales son una “nueva” alternativa para mejorar el
desempeño de los materiales de construcción y en particular del hormigón
✓ Los nanomateries (Nanosilice) pueden beneficiar a los pavimentos de hormigón en:
microestructura, resistencia a la fricción, resistencia a la abrasión y durabilidad
✓ La nanotecnología aplicada al hormigón es una ciencia que aún presenta un gran
potencial para nuevos desarrollos y aplicaciones
✓ La industria de la construcción ya dispone de productos con nanotecnología a nivel
comercial
✓ Se requiere dar a conocer resultados de aplicaciones reales