Cuando las nanopartículas de los caparazones de los camarones se mezclaron con la pasta de cemento, el material se volvió mucho más fuerte: los investigadores proponen una innovación que podría generar menos desechos de mariscos y menos emisiones de carbono en la producción de concreto.
Un equipo de científicos de la Universidad Estatal de Washington y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico crearon nanocristales y nanofibras de quitina, el segundo biopolímero más abundante en la naturaleza, a partir de caparazones de camarones, informó la revista. compuestos de cemento y concreto.
Cuando estos pequeños trozos de quitina, unas 1000 veces más pequeños que un cabello humano, se mezclaron con pasta de cemento, el producto resultante era hasta un 40 % más fuerte. El tiempo de endurecimiento del cemento también se ha incrementado en más de una hora, una característica deseable durante el transporte prolongado y el trabajo con hormigón en climas cálidos.
La industria del hormigón está bajo presión para reducir sus emisiones de CO2 de la producción de cemento. Mediante el desarrollo de estos nuevos aditivos que aumentan la resistencia del concreto, podemos ayudar a reducir la cantidad de cemento requerida y reducir las emisiones de carbono del concreto..
Somayeh Nassiri, profesora asociada, Universidad de California
Nassiri dirigió la investigación en WSU.
El hormigón se utiliza en infraestructura vital como edificios, puentes y carreteras en todo el mundo. Es el segundo material más utilizado en la tierra después del agua. La producción de cemento es un proceso intensivo en carbono que requiere el uso de combustibles fósiles para alcanzar las altas temperaturas requeridas (1500 °C).
La piedra caliza utilizada en su fabricación también se descompone y libera dióxido de carbono adicional. La producción de cemento representa alrededor del 15% del consumo de energía industrial y el 5% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero.
Según Nassiri, el problema de la durabilidad es lo que motiva el alto consumo de materiales: el concreto se agrieta rápidamente y, a menudo, debe ser reemplazado o reparado.
Mientras tanto, los desechos de mariscos son un problema importante para la industria pesquera, que produce entre 6 y 8 millones de libras de desechos al año en todo el mundo. Según Hui Li, profesor asistente de investigación en el Centro de Ingeniería y Materiales Compuestos de WSU y autor correspondiente del artículo, la mayor parte de estos desechos se vierten en el mar.
En el mundo actual, donde el cambio climático está siendo abordado por la economía circular, queremos utilizar la mayor cantidad de residuos posible. La basura de una persona es el tesoro de otra persona.
Somayeh Nassiri, profesora asociada, Universidad de California
Los científicos han estado trabajando para mejorar el concreto con celulosa, un biopolímero común. Los aditivos celulósicos a veces ayudaban al concreto ya veces no, y los científicos no podían entender por qué.
En su investigación, el equipo de WSU examinó los materiales de quitina a nanoescala. Los caparazones de cangrejos, camarones y langostas contienen entre un 20% y un 30% de quitina, y el resto es carbonato de calcio, otro aditivo útil para el cemento. En comparación con la celulosa, la quitina tiene un conjunto adicional de átomos, un grupo funcional, que permite a los científicos regular la carga en la superficie de las moléculas y, por lo tanto, su comportamiento en la lechada de cemento.
«La capacidad de controlar la carga en la superficie es una parte importante del control de cómo funcionan en el cemento. Podríamos hacer eso fácilmente con quitina debido al grupo carboxilo que se encuentra en el polímero de quitina.dijo el profesor de WSU Regents Michael Wolcott, autor correspondiente del artículo.
El éxito del curado de la pasta de cemento depende de cómo las partículas quedan suspendidas en la lechada de cemento e interactúan con las partículas de cemento.
«Las nanopartículas de quitina repelen las partículas de cemento individuales lo suficiente como para alterar las propiedades de hidratación de las partículas de cemento dentro del sistema.,» él dijo.
Pudieron mejorar y adaptar las propiedades del cemento, como su uniformidad, tiempo de fraguado, resiliencia y resistencia, mediante la adición de nanocristales de quitina procesados. Descubrieron un aumento del 40 por ciento en la resistencia a la flexión del hormigón y un aumento del 12 por ciento en su compresibilidad.
«Estos son números muy significativos. Si puede reducir la cantidad que usa y obtener la misma función mecánica o función estructural y duplicar su vida útil, puede reducir significativamente las emisiones de carbono del entorno construido.dijo Wolcott.
Los científicos ahora quieren ampliar su trabajo para poder producir el aditivo a gran escala. El estudio debe continuar para lograr el mismo nivel de mejora observado en la escala de piedra de cemento en la escala de hormigón.
Además de los investigadores de WSU, el equipo interdisciplinario también incluyó a científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico. La investigación fue apoyada por el programa Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA E) del Departamento de Energía, que financia proyectos de tecnología energética innovadora y no convencional que tienen el potencial de conducir a nuevas tecnologías.
Referencia de la revista:
Haider, Md. M., y otros. (2022) Información sobre el tiempo de fraguado, las propiedades reológicas y mecánicas de los nanocristales de quitina y la pasta de cemento de nanofibras de quitina. compuestos de cemento y concreto. doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2022.104623.
Fuente: https://wsu.edu/
