Lo que descubrieron los ingenieros del ejército de EE. UU. cuando agregaron grafeno al cemento

Rejilla molecular de grafeno (Imagen: koya979 vía AdobeStock - stock.adobe.com)

El Ejército de EE. UU. ha estado explorando el potencial del maravilloso material grafeno para fabricar mortero y hormigón más resistentes para aplicaciones militares y civiles.

El grafeno, descubierto en 2004, es una capa única de átomos de carbono unidos en una red hexagonal en forma de panal. Se extrae del grafito, es altamente conductor, pesa muy poco y tiene una resistencia notable.

Su introducción en el hormigón podría, en teoría, solucionar problemas de baja resistencia a la tracción y permeabilidad. Su potencial para aumentar la resistencia del hormigón también podría reducir la necesidad de refuerzo de acero, allanando el camino para una reducción de las emisiones de CO2.

Nuevo estudio sobre el grafeno

Antes de la aplicación de carga a una pasta de cemento de grafeno (LGG) generada en laboratorio al 0,02 % (p/p) (Imagen: Grafeno en materiales cementicios/ERDC)

Pero el uso de grafeno en cemento y hormigón todavía está en sus inicios y hay obstáculos que superar, en particular cuando se trata de encontrar la dosis correcta de grafeno, el tamaño de partícula, la velocidad de mezcla y cómo dispersar el maravilloso material a través del hormigón para lograr una resistencia óptima.

Eso es lo que se propuso lograr un informe del Centro de Investigación y Desarrollo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. (ERDC) publicado el mes pasado (diciembre de 2023) llamado Grafeno en materiales cementicios .

Los investigadores probaron tanto grafeno de grado comercial (CGG) como grafeno generado en laboratorio (LGG) para crear pequeñas cantidades de mezclas de grafeno y cemento.

Después de mezclar el grafeno con cemento Portland estándar utilizando un dispersante, los investigadores curaron la mezcla en una cámara de niebla durante siete, 14 y 28 días antes de realizar pruebas de resistencia a la compresión y análisis químicos y microestructurales. Las mezclas de grafeno y cemento se compararon con una mezcla de cemento de referencia que no contenía grafeno.

Cemento más fuerte...si los ingredientes son los adecuados

Lo que descubrieron los investigadores fue que es posible obtener pastas de cemento-grafeno con mayor resistencia a la compresión que el cemento estándar.

Pero eso dependía de encontrar la dosis correcta de grafeno y lograr una dispersión óptima del material a través del cemento (el estudio encontró que el aditivo para concreto MasterGlenium 7920 era el surfactante más efectivo para esto).

Por ejemplo, una dosis de 0,3% de grafeno de grado comercial tuvo el mejor desempeño, mostrando un aumento constante en su resistencia a la compresión promedio, desde poco más del 100% del cemento Portland normal después de 7 días de curado, poco menos del 110% después de 14 días, antes de aumentar nuevamente a más del 120% después de 28 días.

Una dosis del 0,6% de pasta de cemento de grafito a base de CGG también mostró una mejora marginal con el tiempo, pero una dosis del 0,9% tuvo un desempeño peor en las pruebas de resistencia que el cemento Portland estándar después de 7 y 28 días.

En lo que respecta a las mezclas de cemento LGG, todas las mezclas de cemento y grafito obtuvieron mejores resultados en las pruebas de resistencia después de 14 días de curado, pero su rendimiento disminuyó después de 28 días de curado.

Fuente: Grafeno en materiales cementicios/ERDC

Los resultados mostraron lo importante que es una buena dispersión del grafeno a través del cemento, así como una correcta dosificación de grafeno. Si se calculan mal estas variables, se corre el riesgo de que se junten varias capas de grafeno. Y cuando las capas de grafeno se aglomeran, las fuerzas que las mantienen en su lugar son débiles y pueden acabar comprometiendo la resistencia de las mezclas de cemento.

El informe señaló: “Estos hallazgos señalan la importancia de lograr una dispersión óptima del grafeno en los medios cementicios, que está determinada por el tipo de dispersante, la tasa de mezcla a alta velocidad de corte, junto con el tipo de grafeno, el tamaño y la tasa de dosificación”.

Próximos pasos

Sin embargo, los investigadores indicaron que ven un futuro brillante para el hormigón mejorado con grafeno.

El informe señala: “Se puede esperar ver mejoras significativas en el hormigón con grafeno en comparación con el hormigón convencional en aplicaciones de tracción y flexión, donde se aprovecharán mejor la resistencia a la tracción y el módulo de Young del grafeno”.

Fuente: Grafeno en materiales cementicios/ERDC

Los ingenieros del Ejército de Estados Unidos ahora esperan continuar sus investigaciones, examinando el impacto de los agregados finos y gruesos en el comportamiento de los materiales de hormigón y grafito.

“Explorar las oportunidades en el uso del grafeno permitirá lograr estructuras de mejor desempeño en ingeniería militar en situaciones de explosión y penetración. Una mayor investigación del grafeno en matrices cementosas facilitará la adopción de GRM para la construcción militar, el apoyo a los combatientes, la lucha contra el cambio climático y el uso en la vasta infraestructura de obras civiles de nuestro país”, concluyó el informe.

Lea el informe completo de ERDC, Grafina en materiales cementicios .