Ingeniería y sus
Alcances,
Revista de Investigación
Enero-abril
2025 / Volumen 9 / No. 23
ISSN:
2664 – 8245
ISSN-L:
2664 - 8245
https://revistaingenieria.org
pp.
31 - 42
La
evolución del nanografeno en el sector de la
construcción
The evolution of nanographene in the construction sector
A
evolução do nanografeno no setor da construção
Jorge
Cesar Rondos Chavez
rondoschavezjorgecesar@gmail.com
https://orcid.org/0009-0008-3507-3652
Pamela
Maria Cahuana Zavala
pamehcz@gmail.com
https://orcid.org/0000-0003-2475-3894
Universidad
Católica Sedes Sapientiae. Los Olivos, Perú
Artículo
recibido 18 de noviembre 2024 | Aceptado 21 de diciembre 2024 | Publicado 17 de
enero 2025
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en tu dispositivo móvil o revisa este artículo en:
https://doi.org/10.33996/revistaingenieria.v9i23.130
RESUMEN
La
nanotecnología, un campo en constante evolución, ha abierto nuevas fronteras en
diversos sectores, y la construcción no es la excepción. El objetivo es
explicar la evolución del nanografeno en el sector de
la construcción. El enfoque es cuantitativo, tipo descriptivo-explicativo con
diseño experimental. Se realizó una búsqueda en las bases de datos Scopus, ScienceDirect y Scielo.
Se utilizaron los descriptores “nanografeno”,
“concreto” y “resistencia a la compresión". Los resultados demuestran que,
una de sus propiedades mecánicas es la resistencia a la compresión, se puede
decir que los porcentajes dl nanografeno que oscilan
entre 0.02% - 0.04% con relación al peso del cemento se incrementa desde un 10%
- 12%. En conclusión, la optimización de la dosificación del nanografeno es un punto clave para obtener los mejores
resultados, ya que al dosificar de manera excesiva puede generar aglomeraciones
del nanomaterial, lo que puede afectar negativamente las propiedades del
concreto.
Palabras
clave:
Compresión; Construcción; Nanografeno; Propiedades;
Resistencia
ABSTRACT
Nanotechnology, a constantly
evolving field, has opened new frontiers in various sectors, and construction is no exception. The objective is to
explain the evolution of nanographene
in the construction sector.
The approach is quantitative, descriptive-explanatory with experimental design. A search was carried out
in the Scopus, ScienceDirect and Scielo databases.
The descriptors “nanographene”, “concrete” and “compressive
strength” were used. The results
show that one of its mechanical
properties is compressive strength, it can be said that the percentages
of nanographene that range between
0.02% - 0.04% in relation to
the weight of cement increase
from 10% - 12%. In
osaje ión, the optimization of the osaje of nanographene is a key point
to obtain the best results,
since excessive dosing can generate agglomerations of the nanomaterial, which can negatively affect the properties of concrete.
Key words: Compression; Construction;
Nanographene; Properties; Resistance
RESUMO
A nanotecnologia, um campo em
constante evolução, abriu
novas fronteiras em vários setores e a construção não é exceção. O objetivo é
explicar a evolução do nanografeno
no setor da construção. A abordagem é quantitativa, do tipo
descritivo-explicativo com desenho experimental. Foi
realizada uma pesquisa nas
bases de dados Scopus, ScienceDirect
e Scielo. Foram utilizados os descritores
“nanografeno”, “betão” e “resistência à compressão”. Os
resultados mostram que uma
das suas propriedades mecânicas
é a resistência à compressão;
pode-se dizer que as percentagens
de nanografeno que variam
entre 0,02% - 0,04% em relação ao
peso do cimento aumentam de 10% - 12%. Concluindo, a otimização da dosagem do nanografeno é um ponto chave para obter os melhores resultados, uma vez que
a dosagem excessiva pode gerar aglomerações do
nanomaterial, o que pode afetar negativamente as
propriedades do betão.
Palavras-chave: Compressão;
Construção; Nanografeno;
Propriedades; Resistência
INTRODUCCIÓN
El nanografeno es un elemento nanométrico bidimensional que
está revolucionando su uso desde su descubrimiento en el año 2004, es un
elemento con propiedades únicas que su uso está pasando las expectativas de
muchos investigadores a nivel internacional por que está ocupando diversos
sectores, como en el sector de la salud, sector de energía, sector de la
electromecánica y lo más importante que también está incorporándose al sector
de la construcción, esta revolución se está llevando a cabo por que el nanografeno está compuesto por átomos de carbono. Es así,
como el descubrimiento del grafeno ha ocasionado una revolución que se puede
comparar a la que ocurrió con los plásticos; científicos de todo el mundo
investigan sus características, y miles de empresas están tratando de descubrir
cómo pueden aprovechar este nuevo material para sus aplicaciones y productos (Elcacho, 2013).
A nivel
mundial, su alta resistencia se está comparando con un acero por que la
resistencia que tiene este elemento es mucho más amplio que un acero e incluso
mucho más ligera; conductividad térmica y eléctrica, debido a que están
compuestos de fibra de carbono, el material en el sector de la energía cumple
con la función de contribuir a un ambiente saludable, porque debido a la
conductica térmica y eléctrica se está llevando a cabo investigaciones que
afirman que el uso de nanografeno en una vivienda
ayuda en el ahorro de energías y tener un ambiente con temperatura promedio
para un ser humano, ya que el nanografeno se está
utilizando en las pinturas que utilizan para dar un mejor acabo a una
habitación, porque el nanografeno recepciona
la luz solar en todo el día y lo almacena para la noche, por asi ya no tendrás la necesidad de utilizar una fuente de
energía cableado que hace una contaminación al medio ambiente (Farías et al.,
2017).
Respecto
a esto, García (2023), menciona que el nanografeno es
una placa conformada por átomos de carbono del grosor de un nanómetro, el cual
tienen enlaces químicos hibridizados sp2 colocados en
una red de panal o hexagonal y es un nanomaterial más delgado lo cual presenta
los siguientes parámetros cristalográficos similares a la estructura del
grafito, pero la diferencia entre el gafito y el nanografeno
es la reducida cantidad de capas que puedan apilarse para que el nanomaterial
en cuestión sea considerado nanografeno el cual las
capaz apiladas como máximo son ente 1 y 10 respectivamente.
Las
investigaciones de este material se han triplicado radicalmente, ya que, es
considerado el material del futuro porque es uno de los nanomateriales más
abundantes a nivel mundial y su uso en los sectores están siendo
revolucionarias gracias a sus propiedades:
Extremadamente
ligeros: se ha llegado a comparar con una hoja de papel, porque es un millón de
veces más fino, y una lámina de un metro cuadrado de nanografeno
solo pesa 0.77 gramos “es el material más delgado jamás desarrollado”.
Muy
Resistentes: es el nanomaterial más resistente que se conoce, porque han
llevado a compararle con un diamanten, pero es mucho más ligera. Puede llegar a
una resistencia mecánica de 43 N/m (tensión de rotura), que a comparación con
otras laminas del mismo espesor solo llega a una resistencia de 0.40 N/m.
Flexibles:
las investigaciones que se dieron a nivel mundial nos mencionan que el nanografeno puede llegar a estirarse hasta un 10% de su
tamaño normal y que puede doblarse sin tener ningún tipo de daño hasta un 20%.
Superconductores:
al ser un nanomaterial termodinámico, transporta eficientemente la electricidad
y es el mejor conductor de calor conocido a nivel mundial, porque en países
como China, Brasil y Estados Unidos, se ha conocido que su conductividad
térmica es de 5.000 W/mk que es mucho mayor que el
cobre, el diamante o la plata, lo que permite disipar calores intensos sin
calentarse.
En este
contexto, debido a la gran resistencia que tiene el nanografeno,
por la comparación con un diamante, pero incluso mucha más ligera, en el sector
de la construcción tiene muchas más expectativa por que puede llegar a ser muy
importante en losas de las construcciones (ver figura 1), debido a que siendo
un material muy ligero pero resistente hace el peso de la losa sea mucho menos
y muy efectiva (Ullah et al., 2021). Futuro o no, ya
se veía venir las posibilidades del nanografeno en la
construcción e ingeniería civil tanto en la tecnología como las diversas
aplicaciones que se pueden tener (Guo et al., 2020).
Un ejemplo trascendental es el “GRAFENO LOFT” una
forma particular a lo tradicional, mejorando el uso de los elementos
estructurales, construyendo como una base hexagonal y la fuerza del grafeno y
sus aplicaciones como material principal.
Figura
1. Grafeno y sus aplicaciones en la construcción
La
comparación con otros materiales de construcción se llevará a cabo con sus
propiedades que resaltan más (Zhao et al., 2018), como se puede comprobar en la
siguiente tabla comparativa con otros materiales:
Tabla
1.
Propiedades de los materiales resaltantes
Propiedad |
grafeno |
Aluminio |
Cobre |
Silicio |
Acero |
Densidad (g/cm3) |
~2.2 |
2.7 |
8.96 |
2.33 |
7.85 (varía según el tipo) |
Conductividad Eléctrica (S/m) |
~10^8 |
3.8 * 10^7 |
5.96 * 10^7 |
~10^4 |
~10^6 (varía según
el tipo) |
Resistencia Térmica (W/m*K) |
~5000 |
237 |
398 |
150 |
10 – 50 (varía según el tipo) |
Resistencia a la Tracción (GPa) |
~130 |
70 – 700 (varía
según el tratamiento) |
210 |
~7 |
400 – 2500 (varía
según el tipo) |
Elasticidad (GPa) |
~1,000 |
70 |
130 |
50 - 150 |
200 (varía según el tipo) |
Transparencia |
~97.7% |
No |
No |
No |
No |
Fuente:
(Sheng et al., 2021)
El
presente estudio atiende, el creciente interés en las propiedades excepcionales
del nanografeno y su potencial en diversas
aplicaciones, pues, su uso en la construcción, específicamente en las losas,
aún muestra una brecha de conocimiento. Aunque, se han realizado diversas
investigaciones preliminares, es necesario cuantificar de manera precisa las
mejoras en resistencia y otras propiedades estructurales que se pueden lograr
al incorporar nanografeno en el concreto. Además de
esto, el uso de nanomateriales en la construcción también se alinea con los
objetivos globales de sostenibilidad, ya que ofrece la posibilidad de
desarrollar materiales más eficientes y duraderos. Por lo tanto, esta
investigación pretende contribuir al avance del conocimiento en el campo de los
materiales de construcción y a su vez, explorar el potencial del nanografeno para mejorar las propiedades de las losas, con
el fin de promover prácticas de construcción más sostenibles y eficientes.
En
atención a todo lo expuesto, este estudio tuvo como objetivo explicar la
evolución del nanografeno en el sector de la
construcción y el efecto de su incorporación en las propiedades mecánicas, en
especial la resistencia a la compresión, de las losas de concreto.
METODOLOGÍA
La
investigación adopta un enfoque cuantitativo, de tipo descriptivo-explicativo y
diseño experimental. Esta se llevó a cabo mediante la revisión sistemática de
la literatura. La población quedó compuesta por las investigaciones publicadas
en español o inglés entre los años 2010 y 2020, sobre el uso del nanografeno en el sector de la construcción, lo cual, desde
su descubrimiento en el 2004, la exploración del nanografeno
en el sector de la construcción ha sido básicamente en el concreto y las
instalaciones eléctricas.
Para
identificar los estudios relevantes, se realizó una búsqueda en las bases de
datos Scopus, ScienceDirect
y Scielo. Se utilizaron los descriptores "nanografeno",
"concreto" y "resistencia a la compresión".
La
técnica de recolección de datos consistió en la extracción de información
relevante de cada artículo utilizando una ficha de codificación preestablecida.
También, los datos se introdujeron en una base de datos de SPSS para su
posterior análisis. De igual forma, se realizó un meta-análisis utilizando el
software RevMan 5.3. Se empleó el modelo de efectos
aleatorios para considerar la heterogeneidad entre los estudios.
Por
último, se realizó un análisis cuantitativo de los datos mediante la
elaboración de tablas que permitieron visualizar las tendencias generales y
comparar los resultados de los diferentes estudios. Además, se llevó a cabo un
meta-análisis para cuantificar el efecto promedio del nanografeno
en la resistencia a la compresión del concreto. Se empleó el modelo de efectos
aleatorios para considerar la heterogeneidad entre los estudios. Los resultados
del meta-análisis se presentaron en forma de forest plot y se calcularon los intervalos de confianza del 95%.
RESULTADOS
A
continuación, se presentan los resultados obtenidos a partir del análisis de
los datos recopilados en la investigación. Estos resultados permitieron evaluar
el impacto de la incorporación de nanografeno en las
propiedades mecánicas de las losas de concreto, con especial énfasis en la
resistencia a la compresión. A través de la presentación de tablas, se
analizaron los efectos de diferentes dosis de nanografeno,
así como las variaciones en otras propiedades relevantes, como la flexión y la
permeabilidad:
Para
muchas de las investigaciones se tuvo que preparar muestras de hormigón en el
cual se utilizan solo dos tipos de cemento que son cemento Portland tipo I/II,
arena natural y agregados gruesos de tamaño máximo de 12,5 mm (An et al., 2018). En la Tabla 2, se muestra las
composiciones químicas del cemento que se utilizó en los estudios. En la Tabla
3, se muestran parámetros permisibles del agua. En la Tabla 4, la distribución
del tamaño del agregado para el tamiz de agregado fino. Finalmente, en la Tabla
5 se muestran requisitos del agregado grueso.
Tabla
2.
Composición química del cemento
Composición Química en % |
Cemento |
SiO2 |
21.0 |
Alabama2Oh3 |
4.9 |
Fé2Oh3 |
2.3 |
CaO |
64.8 |
MgO |
1.7 |
N/A2Oh |
0.3 |
Fuente:
(Liu et al., 2021)
Tabla
3. Parámetros
permisibles del agua
Descripción |
Limites Permisibles |
|
Solidos en suspensión |
5000 ppm |
Máximo |
Materia orgánica |
3 ppm |
Máximo |
alcalinidad |
1000 ppm |
Máximo |
sulfatos |
600 ppm |
Máximo |
cloruros |
100 ppm |
Máximo |
pH |
5 a 8 |
Máximo |
Tabla
4.
Distribución del tamaño de partícula que deja pasar cada tamiz para agregado
fino
Malla |
Diámetros |
Porcentaje total de material de pasa |
9.52 mm |
3/8” |
100 % |
7.46 mm |
N°4 |
95 a 100 % |
2.36 mm |
N°8 |
80 a 100 % |
1.18 mm |
N°16 |
50 a 85 % |
596 µm |
N°20 |
25 a 60 % |
297 µm |
N°50 |
10 a 30 % |
149 µm |
N°100 |
2 a 10 % |
Tabla
5.
Requisitos granulométricos del agregado grueso
Tamaño
nominal |
% Pasa por
los tamices normalizados |
||||||||||||
4” |
3 1/2” |
3” |
2 1/2” |
2” |
1 1/2” |
1” |
3/4” |
1/2” |
3/8” |
N°4 |
N°8 |
N°16 |
|
100 mm |
90 mm |
75 mm |
63 mm |
50 mm |
37.5 mm |
25 mm |
19 mm |
12.5 mm |
9.5 mm |
4.75 mm |
2.36 mm |
1.18 mm |
|
3 ½” a 1 ½” |
100 |
90 - 100 |
- |
25 - 60 |
- |
0 - 15 |
- |
0 - 5 |
|
|
|
|
|
2 ½” a 1 ½” |
- |
- |
100 |
90 - 110 |
35 - 70 |
0 - 15 |
- |
0 - 5 |
|
|
|
|
|
2” a N°4 |
- |
- |
- |
100 |
95 - 100 |
- |
35 - 70 |
- |
10 - 301 |
- |
0 - 5 |
|
|
1 ½” a N°4 |
- |
- |
- |
- |
100 |
95 - 100 |
- |
35 - 70 |
- |
10 - 301 |
0 - 5 |
|
|
1” a 3/8” |
- |
- |
- |
- |
- |
100 |
90 - 100 |
40 - 85 |
10 - 401 |
0 - 15 |
0 - 5 |
|
|
1” a N°4 |
- |
- |
- |
- |
- |
100 |
95 - 100 |
- |
26 - 60 |
- |
0 - 10 |
0 - 5 |
|
¾” a N°4 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
100 |
90 - 100 |
- |
20 - 55 |
0 - 10 |
0 - 5 |
|
2” a 1” |
- |
- |
- |
100 |
90 - 100 |
35 - 70 |
0 - 15 |
- |
0 - 5 |
|
|
|
|
1 ½” a ¾” |
- |
- |
- |
- |
100 |
90 - 100 |
20 - 55 |
0 - 15 |
- |
0 - 5 |
|
|
|
1” a ½” |
- |
- |
- |
- |
- |
100 |
90 - 100 |
20 - 55 |
0 - 10 |
0 - 5 |
|
|
|
¾” a 3/8” |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
100 |
90 - 100 |
20 - 55 |
0 - 15 |
0 - 5 |
|
|
½” a N°4 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
100 |
90 - 100 |
40 - 70 |
0 - 15 |
0 - 5 |
|
3/8” a N°8 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
100 |
85 - 100 |
10 - 30 |
0 - 10 |
0 - 5 |
Resultados
de la investigación
Resultado
1
Tipo de nanografeno: se utilizó molécula de nanografeno
modificada el cual es llamado nanografeno prístino.
Contenido
de mezcla: mezcla preparada fue arena, agua y cemento; y a relación agua
cemento fue de 0,48 incorporando un superplastificante.
Método de
ensayo: resistencia a la compresión (f´c) que se
realizaron en cubos de cemento a los 7 y 28 días. Todo de acuerdo a la norma
ASTM C109/C109M-07. (Mowlaei et al., 2021)
Tabla
6.
Resistencia a la compresión del hormigón con nanografeno
y en función al tamaño de partícula del nanografeno a
los 28 días.
% Nanografeno |
Tamaño de partícula (µm) |
f´c (MPa) |
0,00 |
- |
41.96 |
0,07 |
5 |
43.85 |
0,07 |
43 |
45.17 |
0,07 |
56 |
56.33 |
0,07 |
73 |
54.58 |
Fuente:
Ho et al. (2020)
Figura
2.
Resistencia a la compresión del concreto con nanografeno
y en función del tamaño de partícula de nanografeno
de 28 días.
Fuente:
Ho et al. (2020)
Resultado
2
Tipo de nanografeno: se utilizó oxido de nanografeno
(GO), que se obtuvo por el método de Hummer mediante la oxidación química.
Contenido
de mezcla: mezcla preparada fue cemento, arena y limo según la norma ASTM C109
y la relación agua cemento fue de 0,18 – 0,20.
Método de
ensayo: ensayo de compresión con cubos de concretos a los 28 días considerando
las normas ASTM C348-02 Y ASTM C349-02. (Liu et al., 2019)
Tabla
7. Resistencia
a la compresión del concreto con oxido de nanografeno
a los 28 días. (Muthu et al., 2021)
% Oxido de nanografeno |
f´c (MPa) |
Control |
30 |
0,01 |
24 |
0,1 |
27.5 |
0,2 |
32.5 |
Fuente:
Chougan et al. (2019)
Figura
3:
Resistencia a la compresión del concreto con grafeno y de función del tamaño de
partícula de nanografeno (28días).
Fuente: Chougan et al. (2019)
Resultado
3
Tipo de nanografeno: se utilizó 3 tipos de nanografeno:
natural prístino (G), oxido de nanografeno (GO) y oxido de nanografeno
reducido (rGO).
Contenido
de mezcla: la relación agua cemento fue de 0,45 y el hormigón se preparó en
relación a la norma ASTM C109.
Método de
ensayo: fuerza constante de 2,4 KN/seg a un cubo de
concreto de 50 mm. (Muthu
et al., 2021)
Tabla
8.
Resistencia a la compresión del concreto con oxido de nanografeno,
oxido de nanografeno reducido y nanografeno
a los 28 días (Guo et al., 2020)
f´c (MPa) |
|||
Contenido |
Oxido de nanografeno |
Oxido de nanografeno reducido |
Nanografeno |
Control |
50 |
50 |
50 |
0,01 |
52,5 |
52 |
63 |
0,02 |
56 |
52,5 |
67,5 |
0,04 |
62,5 |
63 |
55 |
0,08 |
62,5 |
57,5 |
55 |
0,16 |
62,5 |
62,5 |
60 |
Fuente:
Qureshi and Panesar (2020)
Figura
4.
Resistencia a la compresión en concreto con GO, rGO o G.
Fuente:
Qureshi and Panesar (2020)
Discusión
Los
hallazgos obtenidos corroboran que la incorporación de nanografeno
en mezclas de concreto puede mejorar significativamente su durabilidad,
especialmente en términos de resistencia a la compresión. Al igual que lo
reportado por Elcacho (2013), se observa una mejora
en las propiedades mecánicas del material, lo cual se atribuye a la capacidad
del nanografeno de formar una red tridimensional que
refuerza la matriz cementicia.
Sin
embargo, los resultados de la investigación sugieren que la influencia del nanografeno en la durabilidad del concreto está conexa con
la relación agua-cemento. Al igual que lo planteado por Farías et al. (2017),
una adecuada relación agua-cemento es fundamental para garantizar una buena
hidratación del cemento y una mayor densidad del concreto, lo cual se ve
potenciado por la presencia del nanografeno.
De igual
forma, la mejora en la durabilidad del concreto con nanografeno
puede explicarse por diversos mecanismos. Por un lado, el nanografeno
puede actuar como barrera frente a la penetración de iones y agua, de manera
que, la durabilidad de este amplía cuando hay una buena relación entre agua y
cemento y esto lo lleva a una resistencia aumentado en el 10% a 12 %, lo que
reduce los procesos de deterioro asociados a la corrosión del acero y la
degradación de la matriz cementicia. Y, por otro
lado, la formación de enlaces químicos entre el nanografeno
y la matriz cementicia puede contribuir a una mayor
cohesión del material y a una mejor distribución de los esfuerzos.
CONCLUSIÓN
Con el
objetivo de explicar la evolución del nanografeno en
el sector de la construcción y evaluar su impacto en las propiedades mecánicas,
en particular en la resistencia a la compresión, de las losas de concreto, los
resultados obtenidos de este estudio demuestran que la incorporación de nanografeno en las mezclas de concreto conlleva un aumento
significativo en su resistencia a la compresión. Esta mejora se puede atribuir
a la capacidad del nanografeno para puentear microfisuras, mejorar significativamente la cohesión entre
los agregados y la matriz cementicia, así como
también la reducción de la porosidad del material.
También,
se destaca que la optimización de la dosificación del nanografeno
es un punto muy importante para obtener los mejores resultados. De igual forma,
se observó que al dosificar de manera excesiva puede generar aglomeraciones del
nanomaterial, lo que puede afectar negativamente las propiedades del concreto.
Además, aunque este estudio estuvo centrado en la resistencia a la compresión,
las futuras investigaciones deben explorar el impacto del material en otras
propiedades como la durabilidad, la permeabilidad y la resistencia a la fatiga.
Se puede
concluir además que, los resultados de este estudio confirman el potencial del nanografeno como un aditivo prometedor para la mejora de
las propiedades mecánicas del concreto y ampliar su aplicación en la
construcción. Unido a esto, los hallazgos de esta investigación constituyen un
valioso aporte al conocimiento científico y tecnológico en el campo de los
materiales de construcción, abriendo nuevas perspectivas para la construcción
de estructuras no solo más duraderas, sino también sostenibles.
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Farías, L., Flores, J.,
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