| Review | https://doi.org/10.21041/ra.v12i3.594 |
Nanofibras de celulosa (NFC) como refuerzo para matrices cementicias: revisión sistemática de la literatura
Cellulose nanofibers (CNF) as reinforcement for cementitious matrices: a systematic literature review
Nanofibras de celulose (NFC) como reforço de matrizes cimentícias: revisão sistemática da literatura
J. H. A.
Rocha1
*
,
Lidianne do Nascimento
Farias1
,
Thais Pinto Lobo
Siquiera1
1 Programa de Engenharia Civil, PEC/COPPE/UFRJ, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil.
*Contact author:joaquin.rocha@coc.ufrj.br
Recepción:
13
de
marzo
de
2022.
Aceptación:
08
de
julio
de
2022.
Publicación: 01 de septiembre de 2022.
| Citar como:Rocha, J. H. A., Farias, L. do N., Siqueira, T. P. L. (2022), “Nanofibras de celulosa (NFC) como refuerzo para matrices cementicias: revisión sistemática de la literatura”, Revista ALCONPAT, 12 (3), pp. 311-327., DOI: https://doi.org/10.21041/ra.v12i3.594 |
Resumen
El objetivo de este estudio es realizar una revisión sistemática de la literatura de los últimos cinco años sobre el uso de nanofibras de celulosa (NFC) en compuestos a base de cemento. Se presentan las principales formas de producción y dispersión, con énfasis en el efecto sobre el comportamiento de los materiales a base de cemento. El estudio consideró la influencia de las NFC en las propiedades en estado fresco y endurecido: reología, hidratación, resistencia a la compresión, resistencia a la flexión, energía de fractura, entre otras. Las NFC tienen efectos beneficiosos sobre las propiedades mecánicas; sin embargo, aún se necesita más investigación para optimizar la producción de NFC y los procesos de pretratamiento, establecer relaciones sobre la durabilidad de los compuestos con NFC, e identificar los posibles impactos ambientales de su uso.
Palabras clave:
nanomateriales de celulosa,
compuestos de cemento,
estado fresco,
estado endurecido,
propiedades mecánicas
1. IntroducciÓn
La búsqueda de materiales de construcción más sostenibles y con emisiones reducidas de CO2 ha crecido significativamente en las últimas décadas, principalmente debido al calentamiento global y al hecho de que la industria de la construcción es considerada una de las más contaminantes del mundo (UN Environment et al., 2018; CAO et al., 2020). En esta búsqueda de materiales con menor impacto ambiental, se encuentra el uso de los denominados biomateriales, es decir, materiales que incorporan productos de origen vegetal en su formulación (Barnat-Hunek et al., 2019; Nishimura et al., 2019; Abdellaoui; Bouhfid, 2020; Barría et al., 2021). Según Hoyos et al. (2019) la sostenibilidad de un material se define por su capacidad y tasa de regeneración y por la posibilidad de ser reasimilado al medio ambiente después de su uso.
Además, el uso de materiales a escala nanométrica, denominados nanomateriales, en los materiales de construcción también ha ido cobrando fuerza en los últimos años. A través de la nanomodificación es posible cambiar la nano y microestructura de las matrices de cemento para modificar varias propiedades del material (Santos et al., 2021; Tang et al., 2019; Zhang et al., 2021). Estas alteraciones afectan el macrocomportamiento de las matrices, pudiendo aumentar la resistencia, la deformabilidad y la conductividad térmica de los materiales. Por tanto, las nanofibras de celulosa (NFC) se presentan como un material prometedor para ser incorporado en los materiales de construcción (Hisseine et al., 2019; Claramunt et al., 2019).
Las NFC son una categoría de biopolímeros que pueden ser sintetizados por plantas, bacterias y algas (Hoyos et al., 2019; Ogura et al., 2020) y que tienen alta resistencia, rigidez y módulo de elasticidad, lo que puede mejorar varias características de las matrices cementicias tradicionales (Mejdoub et al., 2016; Dongre; Suryawanshi, 2021). Además, las NFC presentan como una de las principales ventajas ambientales una alta biodegradabilidad, baja toxicidad y mínimos riesgos ambientales y para la salud (Hisseine et al., 2019).
Los estudios demuestran que la incorporación de nanofibras de celulosa puede aumentar la viscosidad de las matrices, actuando de manera similar a un aditivo modificador de la viscosidad, y tener la capacidad de retener agua, lo que, en consecuencia, reduce la exudación de las mezclas (Hisseine et al., 2018a; Bakkari et al., 2019). Analizando el desempeño mecánico de las matrices con incorporación de NFC, se percibe una tendencia a una ganancia en la resistencia a la compresión y a la flexión de las matrices en comparación con las mezclas de referencia (Cengiz et al., 2017; Kolour et al., 2020). Sin embargo, cuando la adición se produce en niveles muy altos, los efectos pueden ser negativos debido al aumento de la porosidad de las mezclas (Sun et al., 2016; Correia et al., 2018; Alzoubi et al., 2020).
Por lo tanto, el presente estudio tiene como objetivo realizar una revisión sistemática de la literatura (RSL) para recopilar datos existentes sobre el uso de nanofibras de celulosa (NFC) en matrices cementicias e identificar brechas de conocimiento aún no exploradas. Para ello se realizó tanto un relevamiento de los trabajos más recientes publicados sobre el tema como un análisis de los datos encontrados para que este trabajo sirva de base a futuros estudios.
2. Metodologia
Para llevar a cabo este estudio se definieron algunas preguntas que sirvieron de base para la elección y análisis de los estudios encontrados. Las preguntas que se hicieron fueron:
1.- ¿Cuáles son las dimensiones de las fibras más utilizadas en la actualidad y el porcentaje de incorporación más utilizado en la literatura?
2.- ¿Cuáles son los métodos de tratamiento/dispersión más utilizados en NFC observadas en los estudios?
3.- ¿Cuáles son las propiedades más analizadas de los compuestos reforzados con NFC y, en consecuencia, cuáles son los ensayos más realizados?
Además de estas preguntas, se realizó un mapeo de los estudios encontrados, analizando los países, instituciones y autores que más publicaron sobre el tema y las palabras clave más utilizadas.
Para responder a estas preguntas, se eligieron dos bases de datos para encuestar los artículos: ScienceDirect y Google Scholar. La primera base de datos incluye varias revistas indexadas en Scopus y Web of Science. Además, a través del método conocido como snowball, se agregaron artículos relevantes con alto índice de citación presentes en Google Scholar que no estaban presentes en la primera base de datos y que fueron publicados en revistas con factor de impacto (Scopus y Web of Science).
Este estudio analizó todos los artículos de investigación relacionados con el tema publicados entre los años 2016 y 2021 y escritos en inglés. La cadena de búsqueda utilizada para realizar el levantamiento de los estudios fue: "CELLULOSE NANOFIBERS" AND ("CEMENT MATRICES" OR "MORTAR" OR "CONCRETE"), resultando un total de 163 artículos para análisis.
Después de excluir capítulos de libros y artículos de revisión de literatura y agregar artículos relevantes utilizando el método de bola de nieve, se analizaron los títulos y resúmenes de los artículos. Se excluyeron aquellos que no respondieron a las preguntas propuestas o que no incorporaron las fibras a las matrices cementicias. Finalmente, se analizaron 29 artículos considerados relevantes en su totalidad.
Se utilizó el programa VOSViewer (versión 1.6.17) para un análisis bibliométrico complementario de los artículos seleccionados.
3. Resultados y discusiÓn
3.1 Mapeo de los estudios
El mapa de la Figura 1 muestra que los países que más publicaron sobre el tema fueron: Estados Unidos con 10 artículos publicados, Canadá con 7 artículos, China con 4 artículos y España y Brasil con 3 artículos cada uno. Todos los demás países que están representados en un tono más claro de verde contribuyeron con una publicación cada uno. Con estos resultados, se puede observar un predominio de los países del hemisferio norte en la publicación sobre el tema, estando presente en el 43% de las publicaciones. A pesar de esto, se puede apreciar que este es un tema que se está estudiando en todo el mundo, con la participación de 16 países diferentes en los artículos encontrados.
Los autores que más publicaron sobre el tema se muestran en la Figura 2, donde los colores claros (amarillo) indican mayor número de trabajos publicados, diferenciados por grupos de autores. Se observó que algunos autores participaron en más de una publicación sobre el tema. Mientras que, el 70% de los estudios presentaron autores diferentes. Este análisis muestra que existe un alto interés en la incorporación de NFC en matrices de cemento ya que varias instituciones y varios autores están involucrados en estas investigaciones.
La Figura 3 presenta las palabras más utilizadas en los títulos y palabras clave de los artículos estudiados. De acuerdo con los datos recabados, se percibe un predominio de las palabras "cellulose nanofibers", además de la presencia de propiedades que los artículos analizaron, entre ellas, "mechanical properties" y "compressive strength", es claro que existe una gran variedad de enfoques que se están utilizando en la actualidad con respecto al uso de NFC, lo que indica el rango de ventajas que este material puede presentar cuando se incorpora a diferentes tipos de matrices.
| Figura 1. Países que más publicaron sobre el tema. | ||||
| Figura 2. Mapa de densidad de los autores que más publicaron sobre el tema. | ||||
| Figura 3. Palabras clave en títulos de artículos y palabras clave. | ||||
3.2 Nanofibras de celulosa (NFC)
La celulosa se somete a varios tratamientos químicos o físicos hasta dar lugar a la nanocelulosa. A su vez, dependiendo del método de extracción utilizado, la nanocelulosa también se puede dividir en algunos grupos, como las nanofibras de celulosa (NFC) y los nanocristales de celulosa (NCC). Las NCC se conocen comúnmente como celulosa nanocristalina, nanowhiskers, nanocristales y monocristales; mientras que, las NFC son mucho más finas, ya que se extraen de las microfibras de celulosa presentes en la biomasa, generalmente se denominan microfibrillas de celulosa, nanofibrillas o nanofibriladas de celulosa y consisten básicamente en nanopartículas/nanofibrillas largas y flexibles con dominios cristalinos y amorfos alternos (Abdul Khalil et al., 2012; Guo et al., 2020; Dhali et al., 2021).
2021). Las NFC tienen un carácter hidrofílico, por lo que un bajo contenido, entre el 0,1% y el 5% en peso, se utiliza generalmente como refuerzo en matrices cementicias. Sin embargo, incluso en pequeñas cantidades, las NFC diluidas en agua pueden crear un gel estable y uniforme (Zhang; Scherer, 2020).
Algunos estudios reportan el uso de NFC como refuerzo en compuestos cementicios, lo cual se ha visto en la presente revisión de literatura. En el Apéndice 1 se presenta un resumen de las características generales de las nanofibras utilizadas por los autores, entre los estudios se observa que las dimensiones de las NFC utilizadas variaban en el rango de 10-500 nm de diámetro, 2-20 nm de ancho y con varias micras de largo. Sin embargo, es importante resaltar que en la literatura la dimensión transversal del NFC se denomina tanto diámetro como ancho. En cuanto al porcentaje de NFC utilizada para reforzar la matriz de cemento, esta varió entre 0,02% y 3%. Además de las denominadas NFC, los estudios han designado otros nombres/tipos de nanofibras celulósicas, como nanofibrillas de celulosa hidrófila (Zhang; Scherer, 2020), celulosa nanofibrilada (Correia et al., 2018) y NFC bacterianas (Akhlaghi et al., 2020; Barría et al., 2021). Estudios como el de Cengiz et al. (2017) realizaron comparaciones entre nanofibras naturales y comerciales. Las nanofibras naturales se derivaron de Cladophora sp (alga) que tiene una forma residual en un río. En general, las NFC estudiadas por los autores fueron utilizadas en matrices de pasta cementicia (62%); pastas y concretos (17%); pastas y morteros (13,7%) - algunos estudios relacionan dos tipos de matrices simultáneamente. Una excepción al trabajo de Panesar et al. (2017) quienes solo realizaron un estudio de tratamiento alcalino en NFC.
Uno de los grandes retos para el uso de NFC en matrices cementicias es la dispersión, por lo que los pretratamientos en nanofibras son de gran importancia. La cristalinidad de las nanofibrillas se reduce debido a la característica amorfa de la lignina y la hemicelulosa presentes en la celulosa, lo que también afecta las propiedades mecánicas conferidas a los compuestos a base de cemento. De esta forma, también se realizan métodos de tratamiento químico o enzimático (Dhali et al., 2021).
Pretratamiento alcalino, también conocido como mercerización, realizado por los autores Panesar et al. (2017) y Fonseca et al. (2019), consiste en exponer las nanofibras a una solución como el hidróxido de sodio. Fonseca et al. (2019) explican que el tratamiento alcalino se realizó para mejorar la desfibrilación de fibras de yute en nanofibrillas. Según Abdul Khalil et al. (2012), el pretratamiento alcalino también tiene la función de remover completamente la lignina y la hemicelulosa de las NFC, pero el tratamiento alcalino no es suficiente para remover los constituyentes celulósicos, en este caso, la remoción posterior de la lignina residual se puede hacer por medio del método de blanqueo.
El método de homogeneización fue realizado por autores como Hoyos et al. (2019), Tang et al. (2019), Sun et al. (2017), Mejdoub et al. (2016) y Jiao et al. (2016), y es un tipo de tratamiento mecánico para las fibras de celulosa que consiste en procesos de refinado y homogeneización a alta presión. Las fibras generalmente están sujetas a esfuerzos cíclicos repetidos. Según Abdul Khalil et al. (2012), este tratamiento aumenta el potencial de aprovechamiento de las fibras debido a que modifica parte de su morfología.
El sistema de oxidación mediado por TEMPO también fue mencionado y utilizado por Jiao et al. (2016). La oxidación realizada en presencia de TEMPO es un método utilizado para modificar la característica hidrofílica de la superficie de la nanocelulosa. Sin embargo, la eficiencia de este tipo de métodos ha sido probada en NCC, ya que demuestran una mejor dispersabilidad debido a la introducción de grupos carboxilato densos en sus superficies (Hassan et al., 2021).
La sonicación se considera uno de los métodos más utilizados para la dispersión de NFC y se encontró con incidencias en la presente revisión, en los estudios de Sun et al. (2017), Claramunt et al. (2019), Barnat-Hunek et al. (2019), Nassiri et al. (2021) y Ez-zaki et al. (2021) se presentó este tipo de tratamiento. Sin embargo, aunque la sonicación puede ser eficaz para dispersar la nanocelulosa, Guo et al. (2020) informaron desafíos para este tratamiento, como la dificultad de convertir la nanocelulosa adsorbida en las partículas de cemento en nanocelulosa libre, lo que permite la aparición de aglomerados de fibra en las matrices de cemento.
3.3 NFC en compuestos de cemento
El Apéndice 2 presenta el detalle de las propiedades evaluadas en la literatura de pastas, morteros y concretos con NFC. Esta sección presenta un breve resumen de la influencia de la adición de NFC en la hidratación, reología, retracción, propiedades mecánicas (resistencia a la compresión y a la flexión), entre otras.
3.3.1 Hidratación
Varios estudios indican que el grado de hidratación del cemento aumenta con la presencia de NFC, ya que promueve la hidratación para producir silicato de calcio hidratado (C-S-H) e hidróxido de calcio (CH); por tanto, una mejora en las propiedades mecánicas (Mejdoub et al., 2016; Sun et al., 2017; Hoyos et al., 2019; Hisseine et al., 2019). Si bien no se reportan efectos adversos sobre el grado de hidratación, sí hay influencia sobre su cinética (Hisseine et al., 2018a).
Jiao et al. (2016) indican que las muestras de pasta de cemento con y sin NFC no muestran diferencias en la hidratación en las primeras edades (10 horas), ya que la superficie expuesta de las partículas de cemento domina la liberación de calor y hay suficiente agua alrededor de las partículas de cemento para la hidratación (Lootens; Bentz, 2016). La adición de NFC prolonga los períodos de inducción y retrasa los flujos de calor máximos. Los grupos hidroxilo y carboxilo de las moléculas de celulosa son hidrofílicos (Klemm et al., 2011), el átomo de oxígeno presente en estos grupos tiene electrones desapareados que pueden reaccionar con el ion calcio (Ca2+) y formar un complejo hidrofílico que retrasa el período de inducción de hidratación y endurecimiento. Por lo tanto, se generan menos sitios de contacto entre las partículas de cemento y el agua, disminuyendo las tasas de formación de C-S-H y CH (Sedan et al., 2008).
Debido a este mismo fenómeno, Goncalves et al. (2019) y Kamasamudram et al. (2020) también informaron una reducción en la formación de etringita. Kamasamudram et al. (2021a) encontraron que las nanofibras de lignocelulosa (LCNF) y las nanofibras de celulosa delignificadas (DCNF) reducen las cantidades de etringita y CH en la pasta de cemento hidratada. Sin embargo, se demostró que las NFC con nanopartículas de sílice aumentan la cantidad de CH, alrededor del 4%, debido al aumento en la velocidad de reacción del cemento (efecto de relleno); mientras que, para las muestras con solo NFC se observó una reducción de CH (Kamasamudram et al., 2020).
Durante largos períodos de tiempo, las NFC liberan agua en las regiones cercanas y contribuyen a la hidratación de las partículas de cemento no hidratadas, lo que mejora la microestructura y las propiedades mecánicas de las pastas de cemento (Jiao et al., 2016). En este sentido, Ez-zaki et al. (2021) indican la misma tendencia cuando se utiliza escoria de alto horno granulada molida activada por álcali con NFC. Kolour et al. (2020) indican que el grado de hidratación aumenta con la presencia de NFC a los 3 días. Zhang y Scherer (2020) también mencionan que las NFC mejoran la hidratación del cemento a largo plazo; sin embargo, esto puede variar según la fuente de las NFC.
Por otro lado, Mejdoub et al. (2016), Kamasamudram et al. (2020) y Kamasamudram et al. (2021b) indican que las NFC aceleran la hidratación del cemento en etapas tempranas como resultado del efecto de nucleación y que este efecto es mayor para NFC con nanopartículas de sílice. Después de 80 h de hidratación, las adiciones de NFC no mostraron efectos significativos en el grado de hidratación (Kamasamudram et al., 2021a). Kamasamudram et al. (2021b) concluyen que la influencia de NFC en la hidratación depende de la relación a/c (la concentración de iones alcalinos en los poros depende de la relación a/c), donde para una relación a/c de 0,35 hay una hidratación acelerada en las primeras edades; mientras que, para una relación a/c de 0,45, la hidratación no fue tan prominente.
Aunque no se reportan efectos adversos sobre la hidratación, se necesitan más estudios de cinética de hidratación en las primeras horas para definir posibles aplicaciones en la construcción, además del análisis de otras variables como el tipo de cemento, diferentes relaciones a/c, etc.
3.3.2 Reología
Todos los estudios que analizaron la reología de la pasta de cemento y el concreto con NFC informaron mejoras como el límite elástico y la viscosidad (Hisseine et al., 2018a; Bakkari et al., 2019; Ez-zaki et al., 2021). En general, las NFC actúan como un agente modificador de la viscosidad de las pastas de cemento, aumentando su límite elástico con pequeñas adiciones de NFC, esto se atribuye a dos razones: a) la capacidad de retención de agua, ya que la hidrofilia es una característica intrínseca de las NFC (Hisseine et al., 2018a; Hisseine et al., 2018b; Ez-zaki et al., 2021), y b) la formación de redes de NFC, destacadas en NFC de longitudes más largas y flexibles (Hoyos et al., 2019; Nassiri et al., 2021).
Hisseine et al. (2018a) y Hisseine et al. (2019) indican que la incorporación de NFC requiere el uso de aditivos reductores de agua de alto rango (HRWRA), debido a la modificación de la viscosidad que producen las NFC. Esto está asociado con la hidrofilicidad de las NFC, lo que aumenta la retención de agua y un área de superficie alta y una relación de aspecto alta de las NFC, lo que aumenta la formación de redes de NFC. Sobre este último punto, Hisseine et al. (2018a) encontraron que las redes de NFC aumentan la viscosidad de la mezcla a bajas tasas de cizallamiento; sin embargo, para altas tasas de cizallamiento, las redes de NFC llevaron a una menor viscosidad, debido a la racionalización de las NFC en la dirección del flujo, presentando un comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento.
La adición de NFC aumentó el límite elástico de la suspensión de cemento de pozos petroleros (CPP), mejorando las propiedades reológicas (Sun et al., 2016). Tang et al. (2019) encontraron que la fuerza del gel, el límite elástico y la viscosidad de las suspensiones de NFC y CPP eran más altos en comparación con las suspensiones de nanocristales de celulosa (NCC), esto se debe a que es más probable que las NFC formen la red entrelazada. En otro estudio de NFC con CPP, se descubrió que la adición de nanoplacas de grafeno (NPG) conduce a mayores tensiones de flujo en estado fresco (Sun et al., 2019). Se observa que las NFC tienen una influencia importante en el comportamiento reológico de los materiales a base de cemento; sin embargo, pocos autores han considerado este aspecto, lo cual es un punto importante para futuras investigaciones.
3.3.3 Retracción
Zhang y Scherer (2020) demostraron el uso de NFC para estudiar la contracción química de pastas de cemento de alta a/c a edades tempranas (3 días), ya que no existe un efecto químico sobre la hidratación a corto plazo. Las NFC crearon una estructura estable para soportar las partículas de cemento y permitirles hidratarse sin sedimentarse.
Kolour et al. (2020) encontraron que agregar una cantidad de 0,06% de NFC (en peso de cemento) conduce a una reducción de la retracción autógena de hasta un 49% en pastas de cemento con una relación a/c de 0,30. Para concretos autocompactantes, Hisseine et al. (2018b) informaron que el uso de NFC redujo las deformaciones por retracción autógena hasta en un 31% en 7 días.
El uso de NFC con un mayor nivel de grupos carboxilo en los sistemas de cemento Portland mitiga los cambios dimensionales y las grietas asociadas con la retracción de las pastas de cemento (Bakkari et al., 2019).
Los estudios muestran que las NFC reducen principalmente la retracción química y autógena. Sin embargo, no existen estudios a largo plazo, como retracción por secado y fluencia, además de relacionar estas propiedades con materiales, dosificación, humedad, temperatura, curado, entre otros.
3.3.4 Propriedades mecánicas
Como se mencionó anteriormente, las propiedades mecánicas de las pastas de cemento mejoran con la adición de NFC, debido a la retención de agua de las NFC y al aumento del grado de hidratación (curado interno), así como a la mayor adherencia de las NFC y la matriz de cemento. Sin embargo, altos niveles de NFC son perjudiciales porque aumentan la porosidad y se deben tener en cuenta otros factores para el desarrollo de las propiedades mecánicas (Sun et al., 2016; Correia et al., 2018; Hisseine et al., 2018a; Hisseine et al., 2019; Kolour et al., 2020; Alzoubi et al., 2020).
a) Resistencia a la compresión: La mayoría de los estudios informan un aumento en la resistencia a la compresión con la adición de NFC (Hisseine et al., 2019; Sun et al., 2017). Mejdoub et al. (2016) encontraron un aumento en la resistencia a la compresión de más del 50% con 0,3% de NFC. En los resultados de Kolour et al. (2020) para una mezcla con 0,15% de NFC hubo un aumento de hasta un 31% a los 7 días y, para una mezcla con 0,09% de NFC, hubo un aumento de hasta un 16% a los 28 días. En concreto autocompactante, Hisseine et al. (2018b) indican una tendencia positiva en la adición de NFC, la resistencia a la compresión aumenta hasta en un 16%.
Kamasamudram et al. (2020) demostraron que la adición de 0,1% de NFC con nanopartículas de sílice aumenta la resistencia a la compresión en un 13% (a los 90 días) en comparación con el lote de control y en un 10% en comparación con el lote sin nanopartículas de sílice.
La adición de DCNF mostró un aumento máximo del 15% en la resistencia a la compresión al 0,05% y al 0,1% de DCNF después de 90 días de curado. El aumento máximo de la resistencia a la compresión de la pasta de cemento curada durante 90 días con la adición de 0,1% de LCNF fue de alrededor del 16% (Kamasamudram et al., 2021a).
La adición de NFC y material de cambio de fase propició un aumento de la resistencia a la compresión del mortero de cemento, donde el mejor resultado se obtiene con la adición de 0,5% de NFC, debido a la reducción de la porosidad del mortero (Alzoubi et al., 2020).
Por otro lado, algunos estudios reportan que la adición de NFC no tiene un efecto considerable en la resistencia a la compresión de las pastas de cemento (Kamasamudram et al., 2021b), incluso ser afectada negativamente por la entrada de aire y la aglomeración de las NFC (Hisseine et al., 2018b). Aunque Nasiri et al. (2019) informan un aumento en la resistencia a la compresión (17-18%) con la adición de NFC, las concentraciones superiores al 0,065% dieron como resultado pequeñas mejoras en la resistencia a los 7 días y una disminución a los 28 días en comparación con el control.
La Figura 4a resume el cambio porcentual en la resistencia a la compresión a los 28 días en función del porcentaje de adición de NFC. Es importante señalar que solo se consideraron los estudios que proporcionaron datos. Cuando se clasifican los resultados de variación por la relación a/c (Figura 4b), se observa que a menor relación a/c, mayor porcentaje de variación positiva, 9,80% para una relación a/c de 0,26 a 0,30, presentando un solo dato atípico. Adicionalmente, se observa que, para esta relación a/c, solo existen porcentajes positivos y una menor dispersión de los datos (3-43%). Para las demás relaciones a/c, la dispersión de los datos es mayor y se presentan valores de reducción de la resistencia a la compresión.
b) Resistencia a la flexión: Para la resistencia a la flexión, se reporta un efecto generalmente positivo (Hisseine et al., 2018a; Hisseine et al., 2018b; Hisseine et al., 2019). Hisseine et al. (2019) describe un incremento de hasta un 25%. Kamasamudram et al. (2020) encontraron que, con la adición de 0,1% de NFC, la resistencia a la flexión aumentó en un 70%, valor cercano al reportado por Kamasamudram et al. (2021b), 75%. Kolour et al. (2020) informaron porcentajes aún más altos. (2020), 116% y Cengiz et al. (2017), 169,7%.
Sun et al. (2016) encontraron que la flexión aumentó un 20,7% para una relación NFC/CPP de 0,04, lo que se atribuye a una mayor hidratación y al efecto de unión de las NFC, pero también señalan que la adición excesiva de NFC es perjudicial debido a la aglomeración de las nanopartículas. En un trabajo más reciente de los mismos autores, se indicó que tanto la resistencia a la compresión como a la flexión aumentaron con la adición de GNP (2017).
En el estudio de Cengiz et al. (2017) se reportó que la resistencia a la flexión en los morteros aumentó 2,7 veces con la adición de NFC de algas, debido a la alta relación de aspecto de NFC, que mejora la interfaz de unión entre NFC y la pasta de cemento. Sin embargo, el uso de NFC comercial tiene un efecto negativo en la tensión de flexión, debido a su baja relación de aspecto e insolubilidad.
Hisseine et al. (2018a) indicaron efectos positivos de NFC en el desempeño mecánico de las pastas de cemento, debido a una mayor homogeneidad y estabilidad. En concreto autocompactante, los autores demostraron que la capacidad de flexión y la resistencia a la tracción a la rotura aumentan hasta en un 21 y 26%, respectivamente. Hisseine et al. (2018b) también reportan la misma tendencia en concreto autocompactante, donde todas las propiedades mecánicas medidas mejoraron, solo al 22% de flexión, debido al nano-refuerzo y curado interno.
La resistencia a la flexión de las pastas de cemento puede aumentar del 20% al 111% con la adición de NFC, este último valor al 0,1% de NFC, tanto para DCNF como para LCNF (Kamasamudram et al., 2021a).
La Figura 5a presenta un desglose de los resultados reportados en la literatura en cuanto a la resistencia a la flexión a los 28 días, observando que la mayoría son positivos y con porcentajes más altos en relación con la resistencia a la compresión. La Figura 5b muestra que los resultados informados para una relación a/c de 0,31 a 0,40 están menos dispersos, con un promedio de 29,3 % y un solo valor atípico (116,67 %). Para una a/c mayor a 0.41 hay un promedio de 69,16%, pero mayor dispersión de los datos. No se muestra la dispersión para una relación a/c de 0,26 a 0,30, ya que solo existe un estudio dentro de este rango (Claramunt et al., 2019).
Finalmente, la Figura 6 resume todos los resultados reportados en la literatura tanto para la resistencia a la compresión (verde) como a la flexión (rojo) de concretos y morteros, mostrando efectos positivos de la adición de NFC, principalmente para la resistencia a la flexión.
Figura 6.
Resistencia a compresión y flexión del concreto y mortero.
c) Mecánica de fractura: Hisseine et al. (2019) indican que la máxima capacidad de flexión se produce con un bajo contenido de NFC (0,05-0,10%), pero la capacidad de absorción de energía aumenta con un mayor contenido de NFC, hasta un 74%. En este sentido, Hisseine et al. (2018b) señalan que las NFC mejoran la absorción de energía (96%), lo que se refleja en el aumento del desplazamiento máximo, hasta en un 43%, comportamiento necesario para estructuras resistentes a impactos y explosiones. Incrementos significativos en la energía de fractura, 60% en el estudio de Kolour et al. (2020) sugieren que las NFC son un mecanismo de endurecimiento efectivo, que actúan como puentes que aumentan la energía requerida para la propagación de grietas.
Hisseine et al. (2018b) también informan la misma tendencia en el concreto autocompactante, donde se mejoraron todas las propiedades mecánicas medidas. Se lograron mejoras de hasta un 16% en compresión, 34% en tensión dividida, 22% en flexión y 96% en absorción de energía. Estas mejoras se atribuyeron a dos efectos impartidos por las NFC: nano fuerza y curación interna.
El contenido de 1% NFC con 8% de pulpa celulósica contribuye a la formación de puentes de transferencia de tensiones en nano y microgrietas, mejorando el comportamiento mecánico de los composites antes y después de los ensayos de envejecimiento acelerado: módulo de ruptura (MOR), tenacidad a la fractura (KIC) y energía de fractura (FE), resultados atribuidos a la adhesión entre el NFC y la matriz de cemento (Correia et al., 2018).
Los compuestos reforzados con un 2% de micro/nanofibras de celulosa mostraron un límite de proporcionalidad (LOP), MOR y tenacidad más altos que los compuestos de control después de 28 días de curado (Fonseca et al., 2019). Ez-zaki et al. (2021) indican que las NFC tienen la capacidad de hincharse, creando depósitos internos de agua y pueden comportarse como concentradores de tensión, provocando el inicio de microfisuras.
La adición de niveles bajos de NFC y NCC (entre 0,1 y 0,2 % en peso) en los sistemas de cemento de aluminato de calcio (CAC) condujo a un aumento general de los valores de MOR en las muestras sin envejecer, a diferencia de los sistemas de cemento Portland (Claramunt et al., 2019).
En la literatura se observa que las propiedades mecánicas han sido ampliamente investigadas, lo que permite identificar tendencias y comprender mejor el efecto de las NFC en el comportamiento mecánico de los materiales a base de cemento. Sin embargo, la mayoría de los estudios solo informaron resultados de resistencia a la compresión y a la flexión para las pastas. Queda por explorar el comportamiento mecánico en otras aplicaciones específicas y a largo plazo.
3.3.5 Otras propiedades
Este subtítulo presenta otras propiedades que han sido investigadas en algunos trabajos publicados, destacando que la durabilidad de los materiales a base de cemento con NFC es el aspecto menos investigado, pero con creciente interés en los últimos años.
a) Penetración de iones de sulfato: Las NFC reducen la penetración de iones de sulfato en un sistema cementicio. Se observó que la adición de NFC (0,3-0,4 %) al cemento Portland Tipo GU proporciona la misma o mayor resistencia al ataque de los sulfatos que un cemento Portland Tipo HS especialmente formulado (Goncalves et al., 2019).
b) Entrada de iones de cloruro: El uso de NFC evita la penetración de iones de cloruro. Se atribuye a la cantidad de grupos carboxilo, que conducen a la restricción del aporte de cloruro, además de mejorar la trabajabilidad (Goncalves et al., 2020).
c) Módulo elástico: Kamasamudram et al. (2021b) observaron que 0,025% y 0,5% de NFC aumentaban el módulo de elasticidad de la pasta de cemento entre un 200% y un 250% aproximadamente. Hisseine et al. (2019) reportaron un incremento del 18% y Fonseca et al. (2019) indican que, en general, los compuestos con NFC presentan un mejor comportamiento mecánico y que el módulo dinámico de elasticidad aumenta con el tiempo incluso cuando se exponen a la intemperie. Las NFC con cemento de aluminato de calcio (CAC) muestran un aumento del módulo de elasticidad en comparación con las mezclas con cemento Portland (Claramunt et al., 2019).
d) Porosidad: Mejdoub et al. (2016) indicaron que la porosidad en las pastas de cemento se redujo con la adición de NFC, siendo el mejor resultado 0,3% NFC. Por otro lado, Gonçalves et al. (2019) señalan que las NFC refinan el tamaño de los poros, registrando un aumento en el volumen total de micro y nanoporos; sin embargo, hubo una reducción en la porosidad para tamaños mayores a 10 mm.
e) Coeficiente de expansión y conductividad térmicas: El uso de NFC aumentó tanto el coeficiente de expansión térmica como la conductividad térmica de las pastas de cemento, principalmente debido al potencial de las NFC para reducir la porosidad y mejorar la microestructura de la matriz cementicia (Mejdoub et al., 2016). Alzoubi et al. (2020) también informaron un aumento en la conductividad térmica de los compuestos PCM/NFC.
f) Exudación: Las NFC actúan como un agente de retención de agua y reservorios de agua para evitar la segregación y la exudación (Ez-zaki et al., 2021). Gonçalves et al. (2021) demostraron que la adición de NFC reduce significativamente el volumen de agua de filtración. Las NFC dificultan que los granos de cemento se asienten y obstruyen la migración ascendente del agua libre. Sin embargo, en presencia de superplastificantes, las NFC son menos efectivos para reducir la exudación. Los autores consideran que el efecto de las NFC sobre la exudación atenúa la retracción plástica, así como la retracción autógena durante las primeras etapas de hidratación.
Finalmente, se señaló la falta de estudios para evaluar los impactos ambientales de los compuestos a base de cemento con NFC; y, en este sentido, se podrían realizar estudios de Análisis de Ciclo de Vida (ACV) de forma complementaria.
4. Conclusiones
Aunque el uso de nanofibras de celulosa (NFC) en la construcción civil es un campo reciente, aún poco explorado, los estudios de NFC como refuerzo en matrices cementicias muestran que su uso puede mejorar el desempeño de las propiedades.
Estudios recientes de la aplicación de NFC en matrices cementicias se han centrado en las pastas de cemento, con un 62% de las investigaciones analizadas (solo para pastas).
Se añaden pequeños porcentajes de NFC a los compuestos a base de cemento, niveles de refuerzo que generalmente oscilan entre 0,02% y 3%. Sin embargo, existen desafíos en el uso de estos materiales en cuanto a su dispersión en la matriz de cemento, por lo que los pretratamientos en nanofibras son de gran importancia porque aumentan su potencial de uso. Los tratamientos/dispersión más utilizados son la sonicación, la homogeneización, la oxidación mediada por TEMPO y el pretratamiento alcalino de las fibras.
En cuanto a las dimensiones de las NFC más utilizadas en investigación, se reportaron bandas de 10-500 nm y 2-20 nm como diámetro y ancho, respectivamente.
La adición de NFC permite, en general, un aumento del grado de hidratación del cemento, mejora de las propiedades reológicas, como viscosidad y límite elástico, favorece la retención de agua en la mezcla con signos de reducción de segregación y exudación, en además de mejorar el comportamiento en la retracción de los compuestos a base de cemento.
La mayoría de los estudios indican una tendencia creciente en las propiedades mecánicas, como la resistencia a la compresión, la resistencia a la flexión, la mecánica de fractura y el módulo de elasticidad. Con énfasis en la propiedad de resistencia a la flexión, con avances en resultados aún más positivos en comparación con la resistencia a la compresión.
Es importante destacar que la buena dispersión de fibras, la homogeneidad de la matriz y el contenido de NFC utilizados tienen gran influencia en estas evaluaciones; sin embargo, una mayor incorporación tiende a formar aglomerados de fibras provocando disminuciones o siendo perjudiciales para los resultados.
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