Cemento electrificado creado a través de la asociación MIT-CNRS

MIT News informa que una asociación entre el MIT Concrete Sustainability Hub y el Centro Nacional Francés de Investigación Científica (CNRS) ha dado como resultado el desarrollo de cemento con conductividad electrónica. El objetivo de la investigación era crear un hormigón más sostenible y encontrar nuevos usos para el material. La conductividad electrónica, creada al agregar nanocarbono negro al 4% en volumen a las mezclas, permite que el cemento y el concreto se utilicen en nuevas aplicaciones. 

Un voltaje tan bajo como 5 voltios aumentó la temperatura de la superficie de sus muestras (aproximadamente 5 cm 3 de tamaño) hasta 100 grados Fahrenheit. 

Nuevos usos del cemento y el concreto
“Esta tecnología podría ser ideal para calefacción por suelo radiante en interiores”, dice Nicolas Chanut, coautor del artículo de investigación relacionado y postdoctorado en MIT CSHub. “Por lo general, la calefacción radiante interior se realiza haciendo circular agua calentada en tuberías que corren por debajo del piso. Pero este sistema puede ser difícil de construir y mantener. Sin embargo, cuando el cemento en sí se convierte en un elemento calefactor, el sistema de calefacción se vuelve más sencillo de instalar y más fiable. Además, el cemento ofrece una distribución de calor más homogénea debido a la muy buena dispersión de las nanopartículas en el material ”.

Cableado y tortuosidad
Lograr la multifuncionalidad planteó una variedad de desafíos técnicos. Por ejemplo, sin una forma de alinear las nanopartículas en un circuito en funcionamiento, conocido como cableado volumétrico, dentro del cemento, su conductividad sería imposible de explotar. Para garantizar un cableado volumétrico ideal, los investigadores investigaron una propiedad conocida como tortuosidad.

“La tortuosidad es un concepto que introdujimos por analogía desde el campo de la difusión”, dice Franz-Josef Ulm, líder y coautor del artículo, profesor del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT y asesor de la facultad en CSHub. . “En el pasado, ha descrito cómo fluyen los iones. En este trabajo, lo usamos para describir el flujo de electrones a través del cable volumétrico ".

Ulm explica la tortuosidad con el ejemplo de un automóvil que viaja entre dos puntos de una ciudad. Si bien la distancia entre esos dos puntos en línea recta podría ser de 2 millas, la distancia real recorrida podría ser mayor debido al circuito de las calles.

Lo mismo ocurre con los electrones que viajan a través del cemento. El camino que deben tomar dentro de la muestra es siempre más largo que la longitud de la muestra en sí. El grado en que ese camino es más largo es la tortuosidad.

Lograr la tortuosidad óptima significa equilibrar la cantidad y la dispersión del carbono. Si el carbón está muy disperso, el cableado volumétrico se volverá escaso, lo que provocará una gran tortuosidad. De manera similar, sin suficiente carbono en la muestra, la tortuosidad será demasiado grande para formar un cableado directo y eficiente con alta conductividad.

Optimización de mezclas
Incluso agregar grandes cantidades de carbono podría resultar contraproducente. En cierto punto, la conductividad dejará de mejorar y, en teoría, solo aumentaría los costos si se implementa a escala. Como resultado de estas complejidades, buscaron optimizar sus mezclas.

“Descubrimos que ajustando el volumen de carbono podemos alcanzar un valor de tortuosidad de 2”, dice Ulm. "Esto significa que el camino que toman los electrones es solo el doble de la longitud de la muestra".

Cuantificar tales propiedades era vital para Ulm y sus colegas. El objetivo de su reciente artículo no era solo demostrar que el cemento multifuncional era posible, sino que también era viable para la producción en masa.

“El punto clave es que para que un ingeniero pueda recoger las cosas, necesita un modelo cuantitativo”, explica Ulm. “Antes de mezclar materiales, debe poder esperar ciertas propiedades repetibles. Eso es exactamente lo que describe este documento; separa lo que se debe a las condiciones de contorno - condiciones ambientales [extrañas] - de lo que realmente se debe a los mecanismos fundamentales dentro del material ".

Al aislar y cuantificar estos mecanismos, Soliman, Chanut y Ulm esperan proporcionar a los ingenieros exactamente lo que necesitan para implementar cemento multifuncional a una escala más amplia. El camino que han trazado es prometedor y, gracias a su trabajo, no debería resultar demasiado tortuoso.

La investigación fue apoyada a través del Concrete Sustainability Hub por la Portland Cement Association y la Ready Mixed Concrete Research and Education Foundation.