Preparación de probetas de concreto con nanotubos de carbono para el mejoramiento de sus propiedades

Abstract

El presente trabajo de investigación presenta el estudio de la elaboración y de las propiedades de carbonatación, mecánicas, morfológicas, estructurales y eléctricas del concreto dopado con nanotubos de carbono para analizar sus ventajas en futuras aplicaciones en la construcción. Para el desarrollo de esta investigación se elaboraron probetas cilíndricas y cubicas, como también se diseñó una cámara de carbonatación. Además, se consideró el estudio de la presencia de los Nanotubos de Carbono (CNT). Las preparaciones de las probetas fueron realizadas mediante la Norma ASTM C305-14 para morteros y pasta de cemento. Además, de acuerdo con los resultados de granulometría mediante la normal ASTM C136 se usó la arena de la empresa UNICON en los morteros. La caracterización de carbonatación para probetas se realizó empleando una cámara cerrada donde se ingresaba CO2 en aproximadamente el 8% en masa con respecto al aire. Esta parte del trabajo se desarrolló en el Laboratorio N° 1 de Ensayos de Materiales (LEM) de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Ingeniería. Por otro lado, la caracterización mecánica de las probetas consistió en el desarrollo de los ensayos mecánicos de comprensión mediante la Norma ASTM C109, todos ellos realizados en el Laboratorio N°1 de Ensayo de Materiales. Con relación al estudio de las propiedades estructurales y morfológicas se empleó Difracción de Rayos X y Microscopía Electrónica de Barrido, ambas técnicas fueron desarrolladas en la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Ingeniería. La caracterización eléctrica de pastas de cemento se realizó empleando el método de las cuatro puntas de Wenner la Norma ASTM G57-06. Esta parte del trabajo se desarrolló en la empresa Para-Rayos S.A.C Lima-Perú. Como resultados de la carbonatación acelerada se encontró que la máxima cantidad de Nanotubos de Carbono que puede agregarse a las probetas para una mayor impermeabilidad del dióxido de carbono es del 0,5% en relación con masa de cemento. De acuerdo con los resultados de compresión las probetas de mortero con cemento Sol al 1% de Nanotubos de Carbono en relación con la masa de cemento tuvo el valor promedio más alto que fue de 6,626 kN/cm-2, comparado al de las probetas sin aditivos con cemento sol que fueron de 5,05 kN/cm-2. Encontrando un aumento máximo del 30% en la presión de compresión. Según las fotografías de microscopia electrónica de barrido se puede observar la morfología y el compuesto CaCO3 en el interior de las probetas lo que evidencia el proceso de carbonatación. Para el caso de los Nanotubos de Carbono, estos presentan una distribución aglomerada y con poca dispersión dentro de las probetas. Los estudios de DRX, se tuvo que la portlandita y la calcita tienen estructuras hexagonales.

Finalmente, los resultados de la resistividad eléctrica en las probetas sin aditivo y con Nanotubos de Carbono al 1% mostraron cualitativamente que las probetas con nanotubos de carbono tienen menor porosidad a comparación de las probetas sin aditivo.

The present research project presents the study of the elaboration and carbonation, mechanical, morphological, structural and electrical properties of concrete doped with carbon nanotubes to analyze its advantages in future applications in construction. For the development of this investigation, cylindrical and cubic specimens were prepared, as well as a carbonation chamber was designed. In addition, the study of the presence of Carbon Nanotubes (CNT) was considered. The specimen preparations were made by Standard ASTM C305-14 for mortars and cement paste. In addition, according to the results of granulometry using the normal ASTM C136, the sand from the company UNICON was used in the mortars. The characterization of carbonation for test specimens was done using a closed chamber where CO_2 was entered in approximately 8% by mass with respect to air. This part of the work was developed in the Laboratory No. 1 of Material Testing (LEM) of the Civil Engineering School of the National University of Engineering. On the other hand, the mechanical characterization of the specimens consisted of the development of mechanical comprehension tests using the ASTM C109 Standard, all of them carried out in the Laboratory No. 1 of Material Testing. In relation to the study of structural and morphological properties, X-ray diffraction and scanning electron microscopy were used, both techniques were developed in the Faculty of Sciences of the National University of Engineering. The electrical characterization of cement pastes was carried out using the method of the four tips of Wenner, the ASTM G57-06 Standard. This part of the work was developed in Para-Rayos S.A.C Lima-Perú. As a result of accelerated carbonation, it was found that the maximum amount of Carbon Nanotubes that can be added to the specimens for a greater impermeability of carbon dioxide is 0.5% in relation to the mass of cement. According to the compression results, the mortar specimens with 1% Sol cement of Carbon Nanotubes in relation to the cement mass had the highest average value that was 6,626 kN / cm-2, compared to that of the specimens without Additives with sun cement that were 5.05 kN / cm-2. Finding a maximum increase of 30% in compression pressure. According to the scanning electron microscopy photographs, the morphology and the CaCO3 compound can be observed inside the specimens, which is evidence of the carbonation process. In the case of the Carbon Nanotubes, they present an agglomerated distribution and with little dispersion inside the specimens. The XRD studies, we had that portlandite and calcite have hexagonal structures. Finally, the results of the electrical resistivity in the samples without additive and with 1% Carbon Nanotubes showed qualitatively that the samples with carbon nanotubes have lower porosity compared to the samples without additive.