ES2938733T3 - Hormigón reforzado con grafeno - Google Patents

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Abstract

Se describe un material de hormigón armado que comprende un material cementoso (22) en el que el grafeno se distribuye sustancialmente de manera uniforme. También se describe un método de producción de hormigón que comprende los pasos de formar una suspensión sustancialmente uniforme (20) de grafeno con agua y mezclar la suspensión (20) con un material cementoso (22) para formar un material de hormigón (28). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Hormigón reforzado con grafeno
Esta invención se refiere a hormigón, y en particular a hormigón reforzado por la inclusión en él de una cantidad de grafeno, y a un método para su fabricación.
El hormigón se utiliza como material de construcción en una variedad de aplicaciones muy amplia, incluida la construcción de edificios, puentes, tuberías, materiales de pavimentación y similares. En una serie de aplicaciones, sus propiedades físicas se han mejorado tradicionalmente mediante la inclusión de elementos de refuerzo en el hormigón tales como varillas de refuerzo de acero. Aunque tales refuerzos a macroescala mejoran con éxito, por ejemplo, la capacidad de soporte de carga del material de hormigón, se ha descubierto que la corrosión de los elementos de refuerzo puede dañar la estructura fabricada usando el hormigón, limitando la vida útil de la estructura.
Se conocen otras técnicas de refuerzo a nanoescala. Por ejemplo, la inclusión de una variedad de aditivos en el material de hormigón puede mejorar la unión química y/o mecánica entre los componentes del material de hormigón, mejorando su resistencia. Durante la producción de hormigón, sus partículas de cemento experimentan una transformación de una forma en polvo a una forma de cristal fibroso tras la reacción con agua, y es el enclavamiento mecánico resultante de los cristales entre sí y con otros componentes del hormigón el que es responsable de dar al hormigón una parte significativa de su resistencia. El añadido de aditivos, tales como nanotubos de carbono y óxido de grafeno, al hormigón puede mejorar la estructura del hormigón, y así mejorar sus propiedades físicas.
WO2013/096990 describe la incorporación de óxido de grafeno en el cemento y el hormigón para reforzarlos. Un problema que surge al incorporar óxido de grafeno en el cemento y el hormigón es cómo lograr una dispersión sustancialmente uniforme del óxido de grafeno dentro del cemento o del material de hormigón. En WO2013/096990 se describe un método que implica dispersar el óxido de grafeno dentro del componente líquido del cemento o del hormigón antes de mezclar la dispersión con material cementoso para formar el cemento o el hormigón. Sin embargo, el óxido de grafeno es lo suficientemente hidrófilo como para que tienda a absorber una parte significativa del agua contenida en el hormigón o el cemento, dificultando la hidratación del cemento. Como consecuencia, se interfiere en la reacción descrita anteriormente, y esto puede repercutir negativamente en las características del hormigón a escala industrial, por lo que no se cree que sea viable.
WO2017/092778, WO2016/154057, CN107556035 y CN107324737 describen todos materiales cementosos en los que se incorporan materiales con base de grafeno o grafito. Un objeto de la invención, por lo tanto, es proporcionar hormigón y un método para su fabricación, en el que al menos algunas de las desventajas asociadas a los materiales previamente conocidos y los métodos de fabricación asociados se superen o tengan un impacto reducido.
Según la presente invención, se proporciona un material de hormigón reforzado como se define en la reivindicación 1 adjunta.
Se ha descubierto que la incorporación de grafeno en el hormigón puede mejorar drásticamente determinadas propiedades del hormigón, siendo las mejoras o perfeccionamiento significativamente mejores que las que permite la incorporación de óxido de grafeno.
El grafeno está en forma de escamas.
El tamaño de los lados de las escamas se encuentra en el intervalo de 1-3 pm. Más preferiblemente, el tamaño de los lados de las escamas se encuentra en el intervalo de 1,5-2,5 pm, estando el tamaño de los lados de las escamas preferiblemente en el orden de 2 pm. Se ha descubierto que el uso de escamas de este tamaño es ventajoso porque se mejora significativamente la resistencia a la compresión del hormigón formado usando escamas de este tamaño.
La concentración de grafeno en el agua está preferiblemente en el intervalo de 0,3-1,5 g/L. Preferiblemente, la concentración está en el intervalo de 0,6-0,8 g/L, y está preferiblemente en el orden de 0,7 g/L. Se ha descubierto que el uso de una suspensión de grafeno que contiene grafeno en estas concentraciones es ventajoso porque se mejora significativamente la resistencia a la compresión del hormigón formado.
La invención se refiere además a un método de producción de hormigón como se define en la reivindicación 7 adjunta.
Como se ha expuesto anteriormente, el grafeno está en forma de escamas.
Las escamas tienen dimensiones laterales en el intervalo de 1-3 |jm. Más preferiblemente, las escamas tienen una dimensión lateral en el intervalo de 1,5-2,5 jm , teniendo preferiblemente las escamas una dimensión lateral en el orden de 2 jm .
Preferiblemente, la concentración de grafeno dentro del agua está en el intervalo de 0,3-1,5 g/L. Preferiblemente, la concentración está en el intervalo de 0,6-0,8 g/L, y está preferiblemente en el orden de 0,7 g/L.
No solo se mejora la resistencia a la comprensión formando el hormigón de esta manera, sino que también se mejoran otras propiedades. A modo de ejemplo, se mejora su resistencia a la flexión y se reduce el desplazamiento bajo cargas de compresión. Se incrementa su capacidad calorífica y se reduce su permeabilidad al agua. Además, también se puede aumentar su fuerza de adherencia al acero. Se ha descubierto que el material es adecuado para su uso en la fabricación de productos de hormigón prefabricado.
Al mejorar las características estructurales del hormigón, las estructuras fabricadas usando hormigón pueden requerir menos hormigón para tener la resistencia requerida. Como el hormigón no es un material respetuoso con el medio ambiente, la invención proporciona ventajas medioambientales.
La reducida permeabilidad al agua puede aumentar el rango de aplicaciones en las que se puede usar hormigón, por ejemplo, haciendo que el material sea más adecuado para su uso en aplicaciones en áreas sujetas a inundaciones.
La suspensión de grafeno con agua puede formarse mezclando escamas de grafeno preformadas con agua para formar una suspensión uniforme. Como alternativa, se puede mezclar polvo de grafito o polvo de grafeno con agua y se puede usar un mezclador de alta cizalladura para exfoliar el polvo de grafito o de grafeno para dar como resultado la formación de grafeno suspendido en el agua. También se puede usar un tensioactivo tal como colato de sodio. El tensioactivo puede servir para varios fines. En primer lugar, reduce la tensión superficial del agua para que coincida sustancialmente con la del grafeno, haciendo factible la exfoliación por cizalladura. También ayuda en la formación de una suspensión sustancialmente uniforme del polvo de grafito o de grafeno con polvo de grafeno con el agua. También es importante que estabiliza la suspensión de agua con grafeno, reduciendo el añadido del grafeno.
Se describirá con más detalle la invención a modo de ejemplo, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la Figura 1 es una representación esquemática de las etapas en un método de fabricación de hormigón según una forma de realización de la invención; y
las Figuras 2 a 4 son gráficos que ilustran el impacto sobre la resistencia a la compresión del hormigón formado con escamas de grafeno en un intervalo de tamaños y en un intervalo de concentraciones en suspensión.
Haciendo referencia a la Figura 1, se ilustran las etapas en un método para su uso en la fabricación de hormigón reforzado con grafeno. El método comprende las etapas de añadir polvo de grafito o polvo de grafeno 10, agua 12 y un tensioactivo en forma de colato de sodio 14 a un recipiente 16, y usar un dispositivo de mezcla 18 de alta cizalladura para mezclar el polvo de grafito o grafeno 10, el agua 12 y el colato de sodio 14. La presencia del tensioactivo da como resultado la formación de una suspensión sustancialmente uniforme del polvo de grafito o de grafeno con polvo de grafeno 10 en el agua. El dispositivo de mezcla 18 de alta cizalladura gira a alta velocidad, por ejemplo a una velocidad en el orden de 5000-8000 rpm, generando el dispositivo de mezcla 18 fuerzas de cizalladura suficientemente altas dentro del agua 12 para que el movimiento del agua 12 sea capaz de provocar la exfoliación del polvo 10 para formar escamas de grafeno. A modo de ejemplo, las escamas de grafeno pueden tener una forma con pocas capas, teniendo diez o menos capas. El dispositivo de mezcla 18 funciona durante un periodo de tiempo en el orden de 2 horas para conseguir la exfoliación sustancialmente de todo el polvo 10. Cualquier material en polvo 10 restante relativamente pesado puede eliminarse decantando la suspensión de grafeno/agua. La presencia del tensioactivo sirve además para permitir que el grafeno forme una suspensión 20 sustancialmente uniforme con el agua, evitando un añadido significativo de las escamas de grafeno formadas de esta manera.
Después de la formación de la suspensión 20 de grafeno/agua, la suspensión 20 se mezcla con un material cementoso 22 tal como cemento Portland, arena 24 y árido o grava 26 para formar hormigón 28. La mezcla de la suspensión 20 con el material cementoso 22, la arena 24 y la grava 26 es similar al proceso de fabricación de hormigón habitual con la excepción de que se usa la suspensión 20 en sustitución del agua que se añade habitualmente al material cementoso, la arena y la grava, y las proporciones relativas de los materiales usados en la formación del hormigón son sustancialmente las mismas que las convencionales.
El hormigón 28 fabricado de esta manera es ventajoso en comparación con el hormigón fabricado de la manera convencional porque se mejoran significativamente la resistencia a la compresión y otras de sus características. A modo de ejemplo, los ensayos han demostrado que la resistencia a la compresión puede aumentarse significativamente en comparación con el hormigón convencional. Además, puede aumentarse significativamente la resistencia a la flexión y puede reducirse significativamente el desplazamiento tras la aplicación de una carga de compresión. El hormigón reforzado con grafeno puede tener una capacidad calorífica mejorada, y puede reducirse su permeabilidad al agua en comparación con el hormigón convencional. El material puede tener una mayor fuerza de adherencia al acero, y se considera adecuado para su uso en la fabricación de productos de hormigón prefabricado.
Se ha descubierto que la alta energía superficial del material de grafeno estimula que las partículas de hidrato de silicato de calcio (C-S-H) se unan a él formando sitios de nucleación que promueven el crecimiento de los geles de C-S-H a lo largo de las escamas de grafeno. Es la presencia de estos geles la que da lugar a muchas de las características físicas del hormigón, y así, al proporcionar las escamas de grafeno que sirven para promover la formación de los geles C-S-H, se mejora la fuerza de adherencia del cemento en el hormigón. Además, la formación mejorada de sitios de nucleación C-S-H da como resultado la formación de una red más densa de cristales de cemento entrelazados que no solo mejora las propiedades físicas, sino que también actúa como una barrera para la entrada de agua, lo que conduce a una reducida permeabilidad al agua.
Se ha descubierto que las características físicas mejoradas son estables a lo largo del tiempo.
Las propiedades mejoradas del hormigón reforzado con grafeno pueden permitir reducir la cantidad de hormigón requerida en determinadas aplicaciones, lo que lleva a un ahorro y una mayor eficiencia en esas aplicaciones. La cantidad reducida de hormigón, y por lo tanto de cemento, utilizada en tales aplicaciones puede tener beneficios medioambientales significativos. La reducida permeabilidad al agua puede permitir el uso de hormigón en determinadas aplicaciones en las que, convencionalmente, el hormigón no sería adecuado para ese uso, por ejemplo, en algunas aplicaciones en áreas propensas a inundaciones. Además, la reducida permeabilidad al agua puede extender la vida útil de estructuras expuestas al agua, durante su uso, sin requerir de la aplicación de aditivos o recubrimientos resistentes al agua o similares a las estructuras.
La suspensión 20 de grafeno/agua puede fabricarse a una alta velocidad, por ejemplo a una velocidad de 100 l/h o más, y así es posible la producción a escala industrial de hormigón reforzado con grafeno usando el método de esta forma de realización de la invención.
Como se muestra en las Figuras 2 y 3, la concentración de grafeno en la suspensión preferiblemente es relativamente baja, por ejemplo en el intervalo de 0,2 a 2,5 g/L. Más preferiblemente, está en el intervalo de 0,3-1,5 g/L, y está convenientemente en el intervalo de 0,6-0,8 g/L, por ejemplo en el orden de 0,7 g/L. El uso de una suspensión 20 que contiene este nivel de grafeno ha resultado ser especialmente ventajoso porque se mejora particularmente la resistencia a la compresión del hormigón fabricado con ella.
Como se muestra en la Figura 4, las dimensiones de los lados de las escamas de grafeno en la suspensión 20 están en el intervalo de 1-3 pm. Más preferiblemente aún, los lados de las escamas tienen un tamaño en el intervalo de 1,5­ 2,5 pm, estando preferiblemente el tamaño de los lados de las escamas en el orden de 2 pm. El uso de una suspensión 20 que incluye escamas de grafeno de este tamaño es beneficioso porque, de nuevo, se mejora particularmente la resistencia a la compresión.
Aunque la descripción anterior es del uso de una suspensión de grafeno/agua funcionalizada con tensioactivo en la fabricación de hormigón, la invención puede emplear de forma alternativa grafeno producido usando otras técnicas, y no está restringida al uso de grafeno exfoliado por cizalladura. A modo de ejemplo, se puede formar una suspensión mezclando escamas de grafeno de calidad industrial producidas usando otras técnicas con agua. Estas escamas de grafeno tienen normalmente un número ligeramente mayor de capas, por ejemplo en el orden de 10 a 14 capas. De nuevo, se puede usar un tensioactivo para evitar el añadido de escamas de grafeno, y así ayudar en la producción de una suspensión sustancialmente uniforme. La suspensión producida de esta manera puede usarse entonces en la fabricación de hormigón usando las técnicas descritas anteriormente.
Si se desea, el material de hormigón puede incluir además uno o más de una serie de aditivos que se usan comúnmente en la fabricación de hormigón para mejorar su docilidad y/u otras de sus propiedades. Los aditivos pueden incluir, por ejemplo, plastificantes o superplastificantes para mejorar la fluidez y la docilidad, agentes reductores de agua para permitir que se use una proporción reducida de agua en el material, agentes de mejora de la resistencia al envejecimiento prematuro, mezclas retardantes y materiales inhibidores de la corrosión. Se apreciará que esta lista no es exhaustiva y que se pueden usar otros aditivos, si se desea.
Como se ha mencionado anteriormente, el material cementoso 22 puede comprender cemento Portland. Sin embargo, si se desea, puede comprender, además o como alternativa, un material de sustitución de cemento tal como escoria molida granulada de alto horno, ceniza volante, humo de sílice o finos de piedra caliza.
Se apreciará que las referencias al grafeno en la presente memoria no están restringidas a materiales de grafeno monocapa, sino que también incluyen otras formas de material comúnmente denominadas grafeno, tal como grafeno bicapa, tricapa y de pocas capas, y nanoplaquetas de grafeno y similares, por ejemplo, como se define en ISO/TS 80004-13.
Aunque anteriormente se han descrito formas de realización específicas de la invención, se pueden realizar varias modificaciones y alteraciones en el hormigón y en su método de fabricación, tal como se ha descrito anteriormente, sin apartarse del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Material de hormigón reforzado que comprende un material cementoso (22) en el que se distribuye grafeno (10) de manera sustancialmente uniforme, caracterizado por que el grafeno (10) se dispersa o queda suspendido en agua (12) antes de la formación del material de hormigón, estando la concentración de grafeno (10) en el agua (12) en el intervalo de 0,2-2,5 g/L, y por que el grafeno (10) está en forma de escamas de dimensiones laterales en el intervalo de 1-3 |jm.
2. Material según la reivindicación 1 en el que el tamaño de los lados de las escamas se encuentra en el intervalo de 1,5-2,5 jm .
3. Material según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que la concentración de grafeno (10) en el agua (12) está en el intervalo de 0,3-1,5 g/L.
4. Material según la reivindicación 3 en el que la concentración de grafeno (10) en el agua (12) está en el intervalo de 0,6-0,8 g/L.
5. Material según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende además al menos uno de un plastificante o superplastificante, un agente reductor de agua, un agente de mejora de la resistencia al envejecimiento prematuro, una mezcla retardante y un material inhibidor de la corrosión.
6. Material según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que el material cementoso (22) comprende al menos uno de cemento Portland, escoria molida granulada de alto horno, ceniza volante, humo de sílice y finos de piedra caliza.
7. Método de producción de hormigón que comprende las etapas de formar una suspensión (20) de grafeno (10) con agua (12) sustancialmente uniforme, y mezclar la suspensión (20) con un material cementoso (22) para formar un material de hormigón, y caracterizado por que la concentración de grafeno (10) en el agua (12) está en el intervalo de 0,2-2,5 g/L, y el grafeno (10) está en forma de escamas con unas dimensiones laterales en el intervalo de 1-3 jm .
8. Método según la reivindicación 7 en el que la suspensión (20) de grafeno (10) con agua (12) puede formarse mezclando escamas de grafeno preformadas con agua (12) para formar una suspensión uniforme.
9. Método según la reivindicación 7 en el que la suspensión (20) se forma mezclando polvo de grafito o polvo de grafeno con agua (12) y usando un mezclador de alta cizalladura para exfoliar el polvo de grafito o de grafeno.
10. Método según la reivindicación 8 o la reivindicación 9 en el que un tensioactivo está presente dentro de la suspensión (20).
11. Método según la reivindicación 10 en el que el tensioactivo es colato de sodio.
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