Este protocolo describe la evaluación de si la aplicación de dióxido de titanio al hormigón mejora sus propiedades físicas, aumentando así su resistencia a los efectos de los desastres naturales causados por eventos extremos.
Artículo de método
Este protocolo describe la evaluación de si la aplicación de dióxido de titanio al hormigón mejora sus propiedades físicas, aumentando así su resistencia a los efectos de los desastres naturales causados por eventos extremos.
En las últimas décadas, la ocurrencia de eventos extremos se ha intensificado en diversas regiones del mundo, infligiendo impactos sustanciales en las economías, la seguridad y la calidad de vida de las poblaciones afectadas. Esta realidad subraya la necesidad urgente de soluciones innovadoras para mitigar tales daños. En este marco, la nanotecnología se ha convertido en un paradigma prometedor, distinguiendo a los nanoaditivos como agentes eficaces para mejorar la durabilidad, impermeabilidad y resistencia mecánica de los materiales de construcción. Las nanopartículas como el dióxido de titanio (TiO2), los nanotubos de carbono (CNT), la sílice, la arcilla y el cobre (Cu) se han asociado con mejoras en la durabilidad, la relación resistencia-peso, la estabilidad y la resistencia sísmica. La integración de estos nanomateriales favorece la densificación de la matriz del hormigón al reducir los huecos y capilares, mejorando así la impermeabilización y dificultando la infiltración de sustancias nocivas. El presente estudio ofrece una investigación experimental complementada con una revisión exhaustiva de la literatura, que incluye simulaciones de absorción de agua y evaluaciones de la integridad de la superficie en materiales tratados y no tratados. El objetivo es evaluar las contribuciones de los nanoaditivos a la seguridad, durabilidad y sostenibilidad frente a los desafíos que plantea el cambio climático. Los resultados indican que una adición del 1% de nanoTiO2 produce la mayor resistencia mecánica, mientras que las concentraciones más altas tienden a reducir los beneficios debido a la aglomeración de partículas. Este hallazgo subraya la importancia de optimizar el contenido de nanopartículas para mejorar la resiliencia del hormigón contra los desastres naturales, contribuyendo a prácticas de construcción sostenibles. La comparación con los aditivos a base de cobre revela que, a pesar de cierta ganancia de resistencia relativa con el tiempo, las formulaciones de cobre se quedan cortas en rendimiento mecánico, lo que destaca al nanoTiO2 como un agente más prometedor para mejorar la durabilidad del hormigón en entornos propensos a desastres. Dada la creciente frecuencia de desastres ambientales, la adaptación de la construcción civil a través de la incorporación sostenible de nanomateriales requiere una cuidadosa consideración de los procesos de síntesis, la estabilidad a largo plazo y los posibles impactos ecológicos asociados con las interacciones de nanopartículas con componentes ambientales bióticos y abióticos.
Los desastres son eventos extremos definidos por la ocurrencia de fenómenos naturales capaces de representar riesgos para la sociedad, como lo ilustran las inundaciones, deslizamientos de tierra, terremotos y otros eventos similares, que también pueden estar influenciados por factores antropogénicos1. A raíz del cambio climático que se produjo en 2024, naciones africanas como Kenia, junto con países asiáticos como Indonesia y Afganistán, sufrieron graves inundaciones, que provocaron cientos de muertes y miles de personas sin hogar2. De 1998 a 2017, las inundaciones afectaron a más de dos mil millones de personas en todo el mundo3. Según Marengo et al., entre 2013 y 2022, más de 2,2 millones de viviendas en Brasil sufrieron daños, lo que afectó a más de 4,2 millones de personas en 2.640 municipios. Las inundaciones persisten debido a una combinación de factores naturales, sociales y climáticos, y han generado pérdidas del orden de USD 10 mil millones4.
Dada la creciente gravedad y el riesgo generalizado de estos eventos en los últimos años, los investigadores y profesionales han estado buscando estrategias de gestión y nuevas tecnologías destinadas a fomentar comunidades resilientes, en paralelo con los avances de la industria hacia una mayor sostenibilidad 5,6. Entre los materiales prometedores para aplicaciones de ingeniería civil destinadas a aumentar la resiliencia ante desastres se encuentran las nanopartículas de dióxido de titanio (nanoTiO2), que han demostrado numerosas ventajas para los materiales de construcción esenciales, incluido el hormigón 7,8.
El uso de nanomateriales en la industria de la construcción está ahora muy extendido en una amplia gama de aplicaciones. Se emplean en pinturas y recubrimientos para mejorar la resistencia a la degradación de los rayos UV y al ataque de sustancias agresivas. Estos materiales contribuyen a una mayor durabilidad, menor permeabilidad, mejor aislamiento térmico y mayor resistencia al fuego. Por ejemplo, cuando se incorpora al asfalto, el TiO2 interactúa con gases contaminantes, convirtiéndolos en compuestos menos dañinos. Aplicado al vidrio, el TiO2 puede hacer que la superficie sea autolimpiante, ya que la capa de óxido degrada las moléculas orgánicas y facilita la eliminación del polvo inorgánico. La radiación ultravioleta interactúa con la capa de vidrio autolimpiante, descomponiendo aún más las moléculas y eliminando el polvo orgánico. El desarrollo de nuevos materiales de construcción es esencial para hacer que las estructuras sean más resistentes a las tensiones ambientales, reduciendo así los impactos de los desastres y mejorando la seguridad.
El dióxido de titanio, conocido por su blancura y estabilidad, alcanzó por primera vez una amplia visibilidad pública en la década de 1970, principalmente como pigmento en el hormigón y otros materiales de construcción9. Durante ese período, TiO2 se empleó para crear acabados duraderos y de alta calidad en superficies exteriores. A partir de la década de 1990, surgió una nueva dirección con el descubrimiento de sus propiedades fotocatalíticas, que ampliaron notablemente las aplicaciones del TiO2 dentro del sector de la construcción10.
Para comprender completamente la relevancia y aplicabilidad del TiO2 en la construcción civil, es esencial describir sus propiedades y relacionarlas con beneficios prácticos, como la resistencia a la flexión, la tracción y la compresión, junto con indicadores de durabilidad como resistividad eléctrica, permeabilidad y resistencia al ataque de sulfato, carbonatación y ciclos de congelación-descongelación. Los resultados experimentales reportados por Ali Nazari et al. indican que la resistencia a la flexión del hormigón aumenta con la adición de nanopartículas de TiO2 hasta una concentración del 3,0%. Aunque representan ventajas directas, las propiedades fotocatalíticas y bactericidas del TiO2 también deben considerarse como beneficios económicos significativos a largo plazo11.
La capacidad de los materiales avanzados para mantener la estabilidad en presencia de factores ambientales externos, incluidos escenarios catastróficos como la meteorología, el cambio climático (por ejemplo, el aumento de los niveles deCO2) y las inundaciones, es muy pertinente hoy en día. Sin embargo, la adopción generalizada es viable solo si la producción y la aplicación son ecológicamente sostenibles 12,13,14. Esta preocupación es particularmente destacada dado que la fabricación de cemento representa aproximadamente entre el 5% y el 8% de las emisiones mundiales deCO2, una parte sustancial de la huella del sector de la construcción civil, mientras que el cemento sigue siendo su pilar y el consumo mundial per cápita se sitúa en aproximadamente 20 mil millones de toneladas métricas 15,16,17,18,19,20,21,22.
En este contexto, el presente manuscrito reporta el desarrollo y aplicación de un procedimiento experimental para evaluar las propiedades distintivas del nanoTiO2, con énfasis en parámetros como la resistencia mecánica del concreto tratado. El estudio está respaldado por una revisión de la literatura enfocada que examina los beneficios potenciales de estas nanopartículas, las consideraciones regulatorias, la producción sostenible y su relevancia en el contexto de escenarios catastróficos.
Aspectos del dióxido de titanio en el hormigón
Las nanopartículas de dióxido de titanio (nanoTiO2) abarcan tamaños de 1 a 100 nanómetros y suelen asumir morfologías esféricas o elipsoidales. Sus dimensiones a nanoescala confieren un área de superficie notablemente mayor, lo que mejora sustancialmente su reactividad23. Estas nanopartículas han ganado prominencia en el ámbito de los compuestos a base de cemento debido a sus características distintivas y diversas aplicaciones 24,25,26. NanoTiO2 se ha convertido en un componente versátil en formulaciones cementosas, exhibiendo propiedades que lo hacen adecuado para una amplia gama de usos industriales 11,16,18,20.
Este nanomaterial se emplea por varias razones, incluidas propiedades químicas favorables, baja toxicidad, rentabilidad, características anticorrosivas y capacidades fotocatalíticas 27,28. NanoTiO2 puede aumentar la resistencia del hormigón a la manipulación, un factor amplificado por la fotocatálisis que ocurre bajo luz ultravioleta (UV). Posee la capacidad de descomponer sustancias orgánicas, como contaminantes, suciedad y microorganismos, presentes en el hormigón29. Además, el nanoTiO2 puede generar radicales libres altamente reactivos, dotando a la superficie de propiedades limpiadoras, y también protege el hormigón de los daños causados por los agentes atmosféricos que aceleran el desgaste, como los óxidos de nitrógeno30.
Las partículas de NanoTiO2 pueden asumir varias formas cristalinas: rutilo, anatasa y brookita, cada una con propiedades distintas. La anatasa y el rutilo son los polimorfos más comunes del TiO2, mientras que las propiedades de la brookita aún no se comprenden completamente, lo que plantea desafíos para la aplicación industrial 31,32,33,34. Debido a las propiedades fotocatalíticas del TiO2, la anatasa se usa ampliamente en sistemas de purificación de agua y aire, donde es altamente efectiva para descomponer impurezas orgánicas e inorgánicas. El rutilo encuentra un uso extensivo en las industrias textil, plástica y de pinturas, y la forma de rutilo también se emplea ampliamente en protectores solares y otros cosméticos debido a sus capacidades de bloqueo de rayos UV35,36.
Las nanopartículas de dióxido de titanio (nanoTiO2) ofrecen aplicaciones versátiles en materiales de construcción, como el hormigón, mejorando el rendimiento e introduciendo nuevas funcionalidades. Entre sus atributos notables se encuentran las propiedades antimicrobianas y autolimpiantes, que son prometedoras para mitigar la contaminación del aire urbano a través de la transformación de gases contaminantes 37,38,39. Cuando se expone a la luz solar, el nanoTiO2 puede descomponer sustancias orgánicas en agua y dióxido de carbono, y los subproductos resultantes se eliminan posteriormente con agua40.
Además, la actividad puzolánica del nanoTiO2 en la interfaz exterior del hormigón puede aumentar la durabilidad, aunque puede estar asociada con una mayor absorción de agua y posibles implicaciones para la trabajabilidad41. También es importante tener en cuenta que las partículas de nanoTiO2 pueden aglomerarse dentro de la matriz de cemento, lo que puede afectar el rendimiento 42,43,44. En cuanto a la degradación de gases, el hormigón que incorpora TiO2, por ejemplo, en aplicaciones de pavimento, tiene el potencial de reducir los niveles troposféricos de O3 45.
Las capacidades fotocatalíticas del TiO2 permiten la formación de radicales hidroxilo (OH) e iones superóxido (O2-) en presencia de agua bajo irradiación ultravioleta. Estas especies altamente reactivas oxidan y descomponen la suciedad y los contaminantes inorgánicos. La acción fotocatalítica de los TiO2 también reduce el ángulo de contacto del agua en las superficies, mejorando el rendimiento de autolimpieza46. Esta propiedad de autolimpieza contribuye a reducir las impurezas en el aire, lo que puede reducir las concentraciones de contaminantes asociadas con los riesgos climáticos impulsados por los gases de efecto invernadero.
NanoTiO2 también contribuye a aumentar la resistencia a la flexión y a la compresión de los materiales. En términos de resistencia a la compresión, el nanoTiO2 reduce la porosidad, refina la estructura de los poros, densifica la matriz y promueve la hidratación. Sin embargo, lograr estos beneficios requiere un control cuidadoso de la carga de partículas y una homogeneización efectiva para evitar la aglomeración y la formación de zonas débiles que podrían iniciar grietas47. El TiO2 actúa como un relleno que densifica el compuesto cementoso, reduciendo así la porosidad. Este resultado está relacionado con (i) la aceleración de la formación de gel C-S-H, (ii) una reducción en el espacio disponible para el desarrollo de Ca(OH)2 , produciendo cristalitos más pequeños, y (iii) la creación de una microestructura más homogénea con porosidad reducida. Las adiciones de TiO2 calibradas adecuadamente también pueden mejorar la resistencia a la flexión de los compuestos de cemento48.
Se ha demostrado que NanoTiO2 mejora significativamente la durabilidad de los compuestos cementosos al reducir la porosidad y la permeabilidad al agua, y al impartir protección contra ataques químicos y factores ambientales como la radiación ultravioleta. Este beneficio, sin embargo, depende de la adecuada dispersión de las nanopartículas, ya que su alta energía superficial y las interacciones de van der Waals a nanoescala tienden a promover la aglomeración37. Cuando se homogeneiza adecuadamente, la incorporación de nanoTiO2 mejora la impermeabilidad, la resistividad eléctrica y la resistencia a los ciclos de congelación-descongelación y al ataque de sulfatos, lo que subraya su potencial para la construcción destinada a soportar eventos catastróficos. Sin embargo, a altas concentraciones, estas ventajas pueden verse disminuidas o incluso revertidas49,50.
En el contexto de las aplicaciones de TiO2 en la construcción civil para escenarios extremos como inundaciones, tormentas y temperaturas extremas, es esencial equilibrar los beneficios del nanoTiO2 con los riesgos potenciales asociados con su uso. Por ejemplo, las propiedades fotocatalíticas que pueden mejorar la calidad del aire urbano y ayudar en la limpieza y la remediación de desechos después de una catástrofe deben sopesarse con los posibles peligros de inhalación y toxicidad pulmonar 51,52,53.
Los aditivos a base de cobre mejoran la impermeabilización y son de bajo costo y fáciles de manipular. El dióxido de titanio nanométrico produce hormigón repelente al agua y una mayor resistencia a la compresión. Actualmente utilizado a gran escala, TiO2 no está destinado a usuarios finales, pero tiene potencial para futuras construcciones. La prueba de resistencia a la compresión compara los resultados de las muestras con varias mezclas para analizar las ventajas y desventajas de los aditivos de cobre y el dióxido de titanio.
El hormigón impregnado con nanoTiO2 presenta una mayor reflectancia solar (mayor albedo), lo que contribuye a temperaturas ambiente más suaves, mitiga el efecto isla de calor urbano y, prácticamente, reduce la temperatura de los edificios y genera ahorros energéticos. Este beneficio se extiende a la reducción del consumo de productos de limpieza54,55.
Atributos como la opacidad, la durabilidad, el potencial antibacteriano, la resistencia a los rayos UV y la capacidad de acomodar materias primas alternativas dentro del hormigón, reduciendo así la dependencia del cemento y los agregados, indican fuertes incentivos para el despliegue de nanoTiO2. Estas perspectivas se complementan con el potencial de mejoras en los techos y superficies verdes que promueven un drenaje más eficiente del agua de lluvia 10,56,57,58.
Sobre la longevidad y durabilidad del hormigón que incorpora nanoTiO2, los estudios contemporáneos indican una mayor resistencia a la radiación ultravioleta, así como una mayor resistencia contra el ataque químico y la intemperie59. Estas mejoras producen beneficios económicos directos al reducir la frecuencia de reparaciones y reemplazos, lo que reduce el consumo de material y el desperdicio con el tiempo. Más allá de estas ventajas financieras inmediatas, el uso de nanoTiO2 también ofrece ahorros indirectos relacionados con la producción, el transporte y la eliminación de hormigón, contribuyendo a una reducción de la huella de carbono asociada a su ciclo de vida33,60.
Dadas las implicaciones ambientales de los procesos de sulfato y cloruro utilizados para extraer ilmenita y rutilo, el proceso de cloruro se considera la opción menos dañina. Esta ruta emplea cloro gaseoso para convertir el rutilo en TiCl4, que posteriormente se oxida a TiO2, produciendo menos subproductos nocivos que el proceso de sulfato59. Los productos que contienen TiO2 producen residuos estables y no lixiviantes al final de su ciclo de vida, lo que presenta un menor riesgo ambiental. Este perfil ambiental complementa la resistencia y durabilidad mejoradas de los materiales, particularmente en condiciones catastróficas, lo que subraya el valor de las evaluaciones experimentales en el avance de las tecnologías de construcción.
Un estudio realizado por Mohajerani et al. demuestra que las propiedades del hormigón varían con los nanomateriales aplicados61. Las nanopartículas de sílice, titanio, carbono, hierro y aluminio se introducen en el hormigón para reforzar la resistencia mecánica, promover una hidratación rápida y mejorada, inducir un mayor grado de hidratación, impartir capacidades de autolimpieza, mejorar la durabilidad mecánica, prevenir el agrietamiento, aumentar la resistencia a la compresión y aumentar la resistencia a la abrasión. Estos beneficios son muy deseables en los materiales de construcción, contribuyendo a una mayor resiliencia de las estructuras frente a los desastres naturales.
Por lo tanto, el objetivo de este trabajo es validar, a través del ensayo de tracción por división en probetas cilíndricas, la mejora de la resistencia mecánica en el hormigón lograda mediante la incorporación de nanopartículas de dióxido de titanio a la mezcla. Esta investigación tiene como objetivo avanzar en el desarrollo de materiales más resistentes, particularmente en el contexto de desastres naturales donde las estructuras de hormigón están sometidas a condiciones extremas y requieren una durabilidad y un rendimiento superiores.
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La base metodológica empleada es el ensayo brasileño, que determina la resistencia a la tracción indirecta (partición) a través de la sección diametral de probetas cilíndricas cargadas verticalmente. Este procedimiento, desarrollado por el profesor Lobo Carneiro en 1943 para materiales cementosos, consiste en aplicar dos fuerzas de compresión concentradas y diametralmente opuestas a un cilindro, generando así tensiones de tracción uniformes perpendiculares al diámetro a lo largo de la secciónde ensayo 62.
La prueba empleó cinco grupos, designados A, B, C, D y E, correspondientes respectivamente a: un grupo de control; hormigón con 1% de NanoTiO2; hormigón con 2% de NanoTiO2; hormigón con 3% de NanoTiO2; y hormigón con aditivo plastificante a base de cobre al 3%. Cada grupo se subdividió en tres subgrupos de tiempo de curación: 7 días (1), 14 días (2) y 28 días (3). Así, el estudio comprende un total de quince especímenes, etiquetados como A1-A3, B1-B3, C1-C3, D1-D3 y E1-E3. La Figura 1 muestra el espécimen utilizado en este estudio.
1. Preparación de la muestra
2. Proceso de curado
3. Prueba de resistencia a la compresión
NOTA: Realice la prueba de resistencia a la compresión utilizando la máquina de prueba de concreto (prensa), con un rango nominal y calibrado de 0 a 100 toneladas. Calibrar el equipo mediante medición indirecta, relacionando la presión con el área del pistón, utilizando un manómetro digital y un calibrador digital. Ponga a cero el equipo y asegúrese de alinearlo antes de realizar las pruebas.
4. Eliminación de residuos materiales
NOTA: Todos los residuos generados durante el proceso de prueba se eliminarán de acuerdo con ABNT NBR 10004 y ABNT NBR 15116, así como con la orientación de las autoridades locales responsables de las normas y estándares de protección ambiental, incluidos 68,69,70.
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Los valores obtenidos para cada muestra en la prueba de resistencia a la compresión se presentan en la Tabla 2 y la Figura 3. La Tabla 2 indica la identificación de la muestra, su tiempo de curado y la carga máxima soportada en MPa. En la Figura 2, es posible visualizar un subconjunto de muestras después de la prueba de compresión. Los valores registrados se presentan en la ...
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En el análisis de los resultados, que se ilustran gráficamente en la Figura 3, es evidente que las muestras que contienen un aditivo plástico a base de cobre exhibieron la resistencia a la compresión más baja. Estos valores son inferiores a los del grupo control, que se preparó sin ningún aditivo. La Figura 3 muestra además que, después de 28 días de curado, las muestras logran el mejor rendimiento en la prueba de compresión.
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Los autores declaran que no tienen intereses financieros o materiales relacionados con la investigación descrita en este artículo.
Gracias a la empresa RAID Technology and Construction por el tiempo y el equipo brindado para realizar el ensayo de resistencia para el modelado de probetas de concreto, acompañado del cuidado y soporte técnico especializado en el área.
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| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Muestras de prueba de hormigón | JCRB | Bloco 20 | Se utilizaron dos unidades para la prueba |
| Escala analítica | Shimadzu | ATX224R | |
| Equipos de prueba de resistencia a la compresión | SoloTest | 1504100 | |
| Aditivo plastificante | NovaTintas | NovaLiga | |
| Escala de precisión | Sartorius | 3862 MP8-1 | |
| Dióxido de titanio R110 | FRAC Chemical | FR10ZZ2400905RT | Pigmento de dióxido de titanio rutilo |
| Limpiador ultrasónico | Cristó foli | 2,5L |
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