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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

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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?

24

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.

25

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.

27

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

29

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

32

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

33

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.

34

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.

35

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.

36

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.

37

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

38

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

39

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

40

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.

41

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.

42

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.

43

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.

46

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/

47

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)

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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 ;

http://www.oni.escuelas.edu.ar/2005/san_luis/1042/usos_aplica.htm

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http://www.monografias.com/trabajos87/nanotecnologia-riesgos-y-

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

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La nanotecnología aplicada al Concreto ;

http://blog.360gradosenconcreto.com/la-nanotecnologia-aplicada-al-

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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-

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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?”

http://www.inta.es/noticias/documentos/Alonso_J_A.pdf

Estructura y síntesis de los nanotubos de carbono ;

http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/tesis/basic/alcca_qf/cap5.PDF

Resistencia mecánica del concreto y resistencia a la compresión ;

http://blog.360gradosenconcreto.com/resistencia-mecanica-del-concreto-

y-resistencia-a-la-compresion/

Componentes y propiedades del cemento ;

https://www.ieca.es/gloCementos.asp?id_rep=179

Composición del cemento portland ;

http://personales.upv.es/fbardisa/Pdf/Composición%20Cementos.PDF

Calor de hidratación del hormigón ;

http://notasdeconcretos.blogspot.in/2011/04/calor-de-hidratacion-del-

hormigon.html

Hidratación del cemento ;

http://www.academia.edu/9477874/HIDRATACION_DEL_CEMENTO

Tiempo de fraguado del hormigón ; http://docplayer.es/180102-

Tiempo-de-fraguado-del-hormigon.html

NTC 174 ;

http://zonanet.zonafrancabogota.com/www/resources/norma%20NTC%2

0174%20de%202000.pdf

Prácticas de laboratorios de Materiales;

https://es.scribd.com/doc/97596225/Practicas-de-Laboratorio-Materiales

Determinación al desgaste por abrasión utilizando el aparato micro-

deval ;

ftp://ftp.unicauca.edu.co/Facultades/FIC/IngCivil/Especificaciones_Norm

as_INV-07/Normas/Norma%20INV%20E-238-07.pdf

106

Ensayo máquina de los ángeles hasta 37.5 mm de diámetro ;

https://es.scribd.com/document/223574769/NTC-98-Determinacion-de-

la-Resistencia-al-Desgaste-de-los-Agregados-Gruesos-hasta-de-37-

5mm-Utilizando-la-Maquina-de-los-Angeles-pdf

Granulometría del agregado (Grueso y Fino);

http://www.academia.edu/8105557/GRANULOMETRIA_DE_AGREGAD

OS_GRUESO_Y_FINOS

Análisis por tamizado de los agregados Finos y Gruesos;

https://es.scribd.com/doc/91883734/NTC-77

Informe determinación densidad aparente y absorción ;

http://es.slideshare.net/riigoberto/informe-

deabsorciondensidadaparenteynominal-54089091

Determinación de peso específico aparente en materiales pétreos ;

http://docslide.us/documents/determinacion-del-peso-especifico-

aparente-en-materiales-petreos-metodo-del.html

Impurezas orgánicas en arenas ; http://www.uca.edu.sv/mecanica-

estructural/materias/materialesCostruccion/guiasLab/ensayoAgregados/I

MPUREZAS.pdf

Pavimento de concreto hidráulico ;

http://www.giv.com.co/invias2007/Articulo500-07.pdf

Base granular ;

http://giv.com.co/invias2013/330%20BASE%20GRANULAR.pdf

Índice de aplanamiento y alargamiento;

http://documents.mx/documents/informe-de-indice-de-alargamiento-y-

aplanamiento.html

Características del cemento portland con nanotubos de carbonó ;

http://web.a.ebscohost.com/abstract?direct=true&profile=ehost&scope=si

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XmkOwT1RQDV%2fOIl38WhVcXM33t%2b6JMuezdf%2fZvV6tgqtIFySgj

nRT1ok3zcgVVp0HEAytha7Qw%3d%3d&crl=c&resultNs=AdminWebAut

h&resultLocal=ErrCrlNotAuth&crlhashurl=login.aspx%3fdirect%3dtrue%2

6profile%3dehost%26scope%3dsite%26authtype%3dcrawler%26jrnl%3d

0889325X%26AN%3d61066141

107

Prueba a la resistencia a la compresión ;

http://www.nrmca.org/aboutconcrete/cips/cip35es.pdf