Mejoran pasta de cemento con nanopartículas de caparazón del camarón

Poner nanopartículas de caparazones de camarones en pasta de cemento hizo que el material fuera significativamente más fuerte, una innovación que podría conducir a la reducción de los desechos de mariscos y disminuir las emisiones de carbono en la producción de concreto.

Caparazones de camarones para mejorar la pasta de cemento.
Caparazones de camarones para mejorar la pasta de cemento.

En un informe publicado en la revista Cement and Concrete Composites, un equipo de investigadores de la Washington State University y Pacific Northwest National Laboratory creó nanocristales y nanofibras de quitina, el segundo biopolímero más abundante en la naturaleza, a partir de los caparazones de camarones.

Cuando estos diminutos fragmentos de quitina, que son unas 1000 veces más pequeños que un cabello humano, se agregaron a la pasta de cemento, el material resultante era hasta un 40% más fuerte.

Por otro lado, el tiempo establecido para que la pasta de cemento se endurezca también se retrasó en más de una hora, una propiedad deseada para el transporte de larga distancia y el trabajo de concreto en clima cálido.

“La industria del concreto está bajo presión para reducir sus emisiones de carbono en la producción de cemento”, dijo Somayeh Nassiri, profesor asociado en la University of California, Davis, quien lidera la investigación en WSU.

“Al desarrollar estos novedosos aditivos que mejoran la resistencia del concreto, podemos ayudar a reducir la cantidad de cemento requerido y disminuir las emisiones de carbono del concreto”.

Producción de cemento

El hormigón se utiliza en todo el mundo en infraestructuras críticas como edificios, puentes y carreteras. Es el material más utilizado en la tierra después del agua.

La producción de cemento es intensiva en carbono, lo que requiere el uso de combustibles fósiles para alcanzar las altas temperaturas requeridas (1500 oC). La piedra caliza es usada en su producción, y pasa por un proceso de descomposición que también produce dióxido de carbono.

Algunos datos a destacar son que la producción de cemento comprende alrededor del 15% del consumo de energía industrial y alrededor del 5% de las emisiones totales de gases de efecto invernadero en todo el mundo.

El alto consumo del material también se debe en parte al desafío de la durabilidad: el concreto se agrieta fácilmente y debe repararse o reemplazarse con frecuencia, destacó Nassiri.

Desechos de los mariscos

Mientras tanto, los desechos de mariscos son un problema importante para las industrias pesqueras y acuícolas, que genera entre 6 a 8 millones de libras de desechos anualmente en todo el mundo.

La mayor parte de desechos son vertidos al mar, destaca Hui Li, profesor asistente de investigación en el Composite Materials and Engineering Center de la WSU, y autor de la investigación.

“En el mundo actual, en donde se está lidiando con el cambio climático a través de la economía circular, queremos utilizar materiales de desecho tanto como sea posible. El desperdicio de una persona es el tesoro de otra persona”, dijo.

Los investigadores han trabajado para mejorar el concreto con un biopolímero común similar, la celulosa. A veces, los aditivos de celulosa ayudarían al concreto y otras veces, no. Los investigadores estaban desconcertados en cuanto a por qué.

Materiales de quitina a nanoescala

En su trabajo, el equipo de WSU estudió los materiales de quitina a nanoescala.

Los caparazones de cangrejos, camarones y langostas se componen de un 20 a 30% de quitina y del resto una parte importante es carbonato de calcio, otro aditivo útil para el cemento.

En comparación con la celulosa, la quitina a escala molecular tiene un conjunto adicional de átomos, un grupo funcional, que permite a los investigadores controlar la carga en la superficie de las moléculas y, en consecuencia, cómo se comportan durante la preparación de concreto.

“Poder controlar la carga en la superficie es una pieza importante para controlar cómo funcionan en el cemento. Podríamos hacer eso simplemente en la quitina debido al grupo carboxilo que se encuentra en el polímero de quitina”, destacó el profesor Michael Wolcott de WSU, quien también participó de la investigación.

El éxito en el fortalecimiento de la pasta de cemento se redujo a cómo las partículas se suspenden dentro de la mezcla y cómo interactúan con las partículas de cemento.

“Las nanopartículas de quitina repelen las partículas de cemento lo suficiente como para cambiar las propiedades de hidratación de la partícula de cemento dentro del sistema”, destacó.

A medida que agregaron los nanocristales de quitina procesados al cemento, pudieron mejorar y enfocar sus propiedades, incluida su consistencia, el tiempo de fraguado, la resistencia y la durabilidad.

Los investigadores registraron un aumento del 40% en la resistencia a la forma en que el concreto puede doblarse y una mejora del 12% en la capacidad para comprimirlo.

“Esos son números muy significativos”, indicó Wolcott.

“Si puede reducir la cantidad que usa y obtener la misma función mecánica o función estructural y duplicar su vida útil, entonces puede reducir significativamente las emisiones de carbono del entorno construido”.

Los investigadores ahora esperan ampliar el trabajo para comenzar a producir el aditivo a gran escala. La investigación también debe continuar para lograr el mismo nivel de mejoras visto en la escala de pasta de cemento en la escala de hormigón.

Además de los investigadores de WSU, el equipo interdisciplinario incluyó investigadores del Pacific Northwest National Laboratory.

El estudio fue financiado por el programa Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) del Department of Energy que apoya proyectos de tecnología energética innovadores y no convencionales que podrían conducir a tecnologías disruptivas.

Contacto
Michael Wolcott
Regents Professor
Department of Civil and Environmental Engineering
Phone: 509-335-6392
Email: wolcott@wsu.edu

Referencia (acceso abierto)
Md Mostofa Haider, Guoqing Jian, Tuhua Zhong, Hui Li, Carlos A. Fernandez, Leonard S. Fifield, Michael Wolcott, Somayeh Nassiri. 2022. Insights into setting time, rheological and mechanical properties of chitin nanocrystals- and chitin nanofibers-cement paste. Cement and Concrete Composites, Volume 132, 2022, 104623, ISSN 0958-9465, https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2022.104623.

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