Estudian el cemento átomo a átomo

Cuando se mezcla el polvo de cemento con agua, tienen lugar una serie de complejas reacciones químicas y de cambios físicos. El resultado final, la pasta de cemento, es un material complejo, multicomponente, de composición variable y poroso. El cemento es además un material “vivo”. Durante toda su vida útil, incluso decenas de años después de endurecerse, su estructura sigue evolucionando, sufriendo cambios físicos y químicos.

De los diferentes componentes de la matriz del cemento, el más importante, sin lugar a dudas, es el denominado gel C-S-H. El gel C-S-H, acrónimo de silicato cálcico hidratado, representa el 70 % de la matriz, y es el principal responsable de la cohesión y propiedades mecánicas del material. No obstante, pese a su importancia, muchos aspectos del gel, incluyendo su composición exacta, son aún desconocidos.

La aplicación de la simulación atomística ha permitido a Manzano comprender las propiedades y características de dicho gel. Los métodos de simulación atomística permiten estudiar las propiedades y comportamiento de los materiales a partir de las interacciones entre los átomos que los componen. El conocimiento del cemento a escala atómica permitiría diseñar modificaciones para mejorar sus prestaciones y propiedades.

Tras cuatro años de estudio, Manzano ha conseguido, entre otras cosas, establecer una clara relación entre las propiedades mecánicas del gel C-S-H y la estructura interna de las nanopartículas que lo componen. El gel C-S-H se compone de nanopartículas coloidales que se agregan de diferentes maneras para formar el material. La manera en que dichas nanopartículas se ordenan entre sí es probablemente el factor que más influye en las propiedades mecánicas del cemento. Cuanto más juntas estén y menos espacio haya entre ellas, el gel C-S-H es más denso y sus propiedades mecánicas mejoran. Pero no es este el único factor a tener en cuenta. La estructura interna de cada una de estas partículas también afecta al total.

Cada partícula está formada por láminas de oxido de calcio rodeadas de cadenas de silicatos de diferente longitud. Hemos comprobado que, cuanto más largas son estas cadenas de silicato, las propiedades individuales de cada partícula mejoran, lo que provoca una mejora de las cualidades totales del gel C-S-H. A partir de estos resultados, Manzano concluye que las propiedades mecánicas del cemento podrían mejorar hasta en un 30 % si durante su hidratación se consigue promover la formación de cadenas de silicato más largas y geles C-S-H más compactos. Una mejora de esta magnitud tendría un gran impacto sobre la industria cementera, que produjo en el 2008 casi 3.000 millones de toneladas de cemento. Una mejora del 30 % en las propiedades mecánicas implica, aproximadamente, un 30 % menos de cemento para conseguir la misma resistencia en un edificio. Por tanto, se reduce la producción de cemento, y, por ende, se reducen también las emisiones de CO2 a la atmósfera.

Pese al trabajo ya realizado, todavía quedan muchos aspectos del cemento susceptibles de ser estudiados, para conseguir mejoras en el material que lleguen a tener impacto en un sector tan importante como el de la construcción.