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.

โ ข Invitaciรณn 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

โ ข Clasificaciรณn de los nanomateriales

Clasificaciรณn 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 (NanoSiO2)

• Nano-TiO2

• 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 CO2 en la nanofabricación, etc.

➢ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen)

➢ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen) • Mejoras en propiedades mecánicas

*: Nanosilice en polvo

80

ASTM C109-11

Compressive Strength (MPa)

70 R² = 0.84

60

R² = 0.25

50

R² = 0.72

R² = 0.82

40 30

W/C=0.39 mortars

W/C=0.45 mortars

20

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)

10

0 ASTM C39/C39M-12

0.0

0.5

1.0 % Nanosilica

Ref: González M., 2014.

1.5

2.0

➢ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen)

ASTM E303-93 (2008)

• Mejoras en fricción (Broom finishing) 70 BPN 28 Days 60

70 28 Days

50

60 50 30 BPN

BPN

40

20

40 30

10

20 0 0.0

0.5

1.0 % Nanosilica

(W/C = 0.31) Ref: González M., 2014.

1.5

10 0 0.0

0.5

1.0 % Nanosilica

(W/C = 0.39)

1.5

2.0

➢ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen) • Mejoras en fricción (Smooth finishing (Tribometer)) 1.0 0.9 0.8

28 days - 50 g force 28 days - 100 g force

0.7 T

0.6 0.5

0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0

0.5

1.0 % Nanosilica

(W/C = 0.39) Ref: González M., 2014.

1.5

2.0

Fz

Fh

T =E303-93 Fh / F(2008) z ASTM

โ ข Beneficios para los pavimentos de hormigรณn (Resumen) Flat surface

Rough surface

Adhesion Depends mostly on micro-level surface roughness Ref: Gonzรกlez M., 2014.

Hysteresis Depends mostly on macro-level surface roughness

➢ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen) • Mejoras en fricción

Friction response SEM images comparing surface texture

Ref: González M., 2014.

0.0% Nanosilica

M o r t a r

C o n c r e t e

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.

Rotating-cutter drill press

➢ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen) • Mejoras en durabilidad Broom

ASTM C944

10

7 Days - Broom 7 Days - Smooth Linear ( 7 Days - Broom) Linear (7 Days - Smooth)

9

Smooth

Loss of weight (g)

8 7

28 Days - Broom 28 Days - Smooth Linear (28 Days - Broom) Linear (28 Days - Smooth)

6

5 4 3 2 1 0

0.0

0.5

1.0 % Nanosilica

Ref: González M., 2014.

(W/C = 0.39)

1.5

2.0

➢ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen) • Mejoras en durabilidad

40,0

0,07

35,0

0,06

30,0

0,05

25,0

0,04

20,0 0,03

15,0

Smooth 10,0

0,02

0,01

5,0 0,0

0 1

2

3

4

5

6

7

8

Control

Surface Resistivity by kilogram of cement (kΊ-cm/kg cemento)

INVESTIGACIĂ“N ACTUAL

Broom

Surface Resistivity (kΊ-cm)

PenetraciĂłn del ion cloruro segĂşn AASHTO T358-15

Mix design

Surface Resistivity by kilogram of cement

Ref: L. Brescia & GonzĂĄlez M., 2019.

Surface Resistivity

PenetraciĂłn Ion Cloro Alta Moderada Baja Muy baja Despreciable

Resistividad Superficial đ?&#x2018;&#x2DC;Ί â&#x2039;&#x2026; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x161; < 12 12 - 21 21 - 37 37 - 254 > 254

*: Ensayo diferente a la NCh

➢ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen)

Relative dynamic modulus of elasticity

• 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 Number of cycles

250

300

350

ASTM C666 (2008)

➢ Beneficios para los pavimentos de hormigón (Resumen) • Mejoras en durabilidad (Hielo-Deshielo) 0.0% Nanosilica

0.25

2.0% Nanosilica 2.0% Nanosilica

Loss of mass after 324 cycles (%)

Loss of mass (%)

0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.0

1.0 % Nanosilica

Ref: González M., 2014.

2.0

➢ 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 23

Ref: González M., 2014.

100 nm

100 nm

â&#x17E;¢ 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