Los nuevos estándares globales de las tecnologías civiles modernas que requieren continuamente una infraestructura más exigente están impulsando el desarrollo de materiales de construcción multifuncionales de rendimiento ultraalto. En particular, los grandes esfuerzos se centran en aumentar el rendimiento y la funcionalidad del concreto, el material de construcción más utilizado en todo el mundo. Un enfoque verdaderamente cambiante para mejorar el rendimiento mecánico y proporcionar funcionalidades novedosas requiere una intervención a nanoescala, ya que la mayoría de los daños causados al concreto pueden atribuirse a defectos químicos y mecánicos en la estructura del cemento.
Por lo tanto, los esfuerzos de investigación actuales están dirigidos a explorar nuevas formas de mejorar el rendimiento del concreto mediante la nanoingeniería de las propiedades químicas y físico-mecánicas del cemento, el principal elemento de unión en la composición del concreto. Las partículas de cemento, que consisten en una variedad de elementos químicos (como silicatos de calcio, aluminatos y aluminoferritas), se transforman en forma de polvo en cristales fibrosos al reaccionar con el agua, conocida como reacción de hidratación. Su crecimiento y el enclavamiento mecánico a lo largo del tiempo son los factores más importantes en la configuración de las propiedades del material del concreto.
Las propiedades físicas y químicas sobresalientes de los nanomateriales proporcionan la mejora más eficiente para la matriz interna del concreto, y el progreso reciente en la nanomodificación de materiales compuestos de cemento ha permitido aplicaciones en el refuerzo estructural, la reducción de la contaminación ambiental y la producción de materiales de autolimpieza.
Estudios anteriores se han centrado en gran medida en la incorporación de nanomateriales en el cemento. Estos incluyen la incorporación de nanotubos de carbono (CNT) y óxido de grafeno (GO) en el cemento, lo que resultó en un 50% (para CNT) y en un 33% (para GO) de la resistencia a la compresión, mientras que las plaquetas de grafito delgado de grado industrial ( 100 nm de espesor) Se ha demostrado que mejoran la conductividad térmica. Sin embargo, estos hallazgos no se extienden directamente al concreto, ya que la adición de arena y agregados cambia el comportamiento físico-mecánico del material. Además, hasta la fecha aún no se ha explorado el papel de los materiales delgados en la nanoingeniería del concreto, y esto promete cambiar el panorama de los materiales de construcción que conducen a una urbanización más sostenible con una huella de carbono más baja y construcciones más resistentes contra desastres naturales .
Aquí presentamos compuestos de hormigón multifuncionales con nano ingeniería diseñados con grafeno, de pocos átomos, delgados, que presentan una gama sin precedentes de propiedades mejoradas en comparación con el concreto estándar. Demostramos un aumento extraordinario de hasta un 146% en la resistencia a la compresión, hasta un 79.5% en la flexión, y una disminución en el desplazamiento máximo debido a la carga de compresión en un 78%. Al mismo tiempo, encontramos un rendimiento eléctrico y térmico mejorado con un aumento del 88% en la capacidad de calor.
Una notable disminución de la permeabilidad al agua en casi un 400% en comparación con el concreto estándar, que es una propiedad muy buscada para la larga durabilidad de las estructuras de concreto, hace que este nuevo material compuesto sea ideal para construcciones en áreas sujetas a inundaciones.
Finalmente, demostramos que la inclusión del grafeno en el hormigón de hoy en día llevaría a una reducción en un 50% del material de concreto requerido y al mismo tiempo cumpliría las especificaciones para la carga de edificios. Esto llevaría a una reducción significativa de 446 kg por tonelada de las emisiones de carbono de la fabricación de cemento.
De manera crucial, demostramos que la gama sin precedentes de funcionalidades que informamos en este documento se produce mediante la adición de dispersiones de grafeno estabilizadas con agua, con alto rendimiento, bajo costo y compatibles con la fabricación a gran escala requerida para el uso de este material. En aplicaciones prácticas. El rango sin precedentes de funcionalidades y propiedades descubiertas en nuestro estudio representa un avance en el campo emergente de los materiales de nanoingeniería que pueden aplicarse fácilmente en una industria de la construcción más sostenible y respetuosa con el medio ambiente.
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