DESCRIPCIÓN

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCION

La presente invención se enfoca al campo de la construcción y edificaciones, relacionadas, por ejemplo, con empresas constructoras, cementaras, proveedores de materiales de construcción, arquitectura, ente otras. En general se refiere a un tipo de hormigón, particularmente, a una composición de hormigón, más específicamente, a una composición de hormigón liviano estructural, en el cual se ha incorporado nanotecnología para mejorar sus propiedades mecánicas y térmicas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

El hormigón es un material ampliamente usado en el mundo, debido a su bajo costo, su excelente resistencia a los esfuerzos de compresión y su fácil preparación. Sin embargo, tiene deficiencias como: baja resistencia a la flexión, no es aislante térmico y es susceptible a la erosión. En las últimas décadas, la aislación térmica en las construcciones se ha convertido en un requerimiento importante, debido al impacto negativo que ocasiona la sobreutilización de energía para calefacción y acondicionamiento. A pesar de que el hormigón tiene un mal desempeño térmico (aislación), no se ha encontrado un sustituto competitivo debido a las características antes mencionadas.

La resistencia mecánica y aislación térmica son propiedades excluyentes en un material compuesto, y aún más en los materiales constructivos. Los materiales que poseen una alta resistencia mecánica como el hormigón, hormigón armado, y vigas de metal, poseen una baja aislación térmica; el hormigón tiene una conductividad térmica por sobre 1 ,2 W/mK y por sobre los 30 W/mK los aceros. Para que un material sea considerado un buen aislante térmico debe tener una conductividad térmica menor a 1 ,0 W/mK. Por otro lado, los materiales considerados aislantes térmicos son materiales de baja densidad y tienen casi nula resistencia mecánica, algunos de estos son: la fibra de vidrio, poliestireno expandido, entre otros.

En el intento de conjugar estas dos propiedades excluyentes en un mismo material, el mercado ha introducido hormigones de baja densidad, como el hormigón celular (con burbujas de aire), los paneles constructivos de aglomerados de madera y plumavit, paneles compuestos por capas de plumavit y cemento, entre otras propuestas. Sin embargo, todos estos materiales logran mejorar la aislación térmica del elemento constructivo, pero, sacrifican la resistencia mecánica.

Con el fin de solucionar este problema, han surgido distintas innovaciones, que pretenden mejorar las capacidades de resistencia mecánica. Así, se indican en el estado de la técnica, diferentes patentes de invención, o solicitudes de patentes de invención, que mencionan diferentes tipos de formulaciones u hormigones, por ejemplo, la solicitud de patente WO 2018/076126, menciona un método de fabricación de un hormigón estructural, liviano y con baja conductividad térmica, en donde, a partir de todas las realizaciones posibles de ejecución y de los variados materiales que se pueden utilizar, se desprende la obtención de un hormigón liviano, compuesto también por un agregado de vidrio reciclado u otro árido liviano y un material suplementario como puede ser nano sílice. Sin embargo, no divulga un rango óptimo de concentraciones de sus componentes y en específico, las concentraciones óptimas de los agregados livianos de residuos plásticos, para potenciar la resistencia mecánica y la conductividad térmica de dicho hormigón liviano.

La solicitud de patente de invención US 2006106191 , menciona un agregado artificial ligero en polietilentereftalato (PET) lijado o no lijado, para la producción de hormigones o materiales estructurales y no estructurales ligeros o aligerados para la industria de la construcción y un proceso para su preparación. Indicando que se ha descubierto ahora que un agregado artificial ligero que consiste en granulos de PET proporciona al hormigón estructural y no estructural propiedades de ligereza, trabajabilidad, resistencia mecánica, durabilidad y baja conductividad térmica. Sin embargo, no hace mención de la utilización de nanoparticulas, ni divulga un rango óptimo de concentraciones de sus componentes y en específico, las concentraciones óptimas de los agregados livianos de residuos plásticos, para potenciar la resistencia mecánica y la conductividad térmica de dicho hormigón liviano.

La solicitud de patente CN 107555904, indica un nuevo hormigón impermeable, que se prepara a partir de las siguientes materias primas en partes en masa: 150-250 partes de cemento Portland, 80-120 partes de arena de río, 10-25 partes de carbonato de calcio, 3-8 partes de nano dióxido de silicio, 20- 30 partes de ceniza de cáscara de arroz, 10-20 partes de humo de sílice, 10-20 partes de ceniza de carbón, 5-15 partes de fibra de polipropileno, 3-5 partes de agente de hinchamiento y similares. El nuevo hormigón impermeable tiene una fuerte resistencia estructural, bajo módulo de elasticidad, alta resistencia al agrietamiento y resistencia a los golpes, alto rendimiento antisísmico, alto rendimiento impermeable y una larga vida útil. Sin embargo, no divulga un rango óptimo de concentraciones de sus componentes y en específico, las concentraciones óptimas de los agregados livianos de residuos plásticos, para potenciar la resistencia mecánica y la conductividad térmica de dicho hormigón liviano.

La solicitud de patente CN 104402326, describe un hormigón de alto rendimiento que comprende las siguientes composiciones en partes por peso: 100- 140 partes de cemento, 500-700 partes de piedra rota, 100-180 partes de arena de río, 30-60 partes de cenizas volantes, 20-50 partes de escoria mineral, 50-90 partes de humo de sílice, 10-30 partes de polvo de piedra caliza, 20-50 partes de fibra de basalto, 30-80 partes de polvo de paja, 2-6 partes de un reductor de agua, 20-80 partes de nano dióxido de silicio, 5-15 partes de nano carbonato de calcio, 5-30 partes de nanotubo de carbono de paredes múltiples, 1-3 partes de dodecilsulfato de sodio, 3-6 partes de estearato de zinc, 2-5 partes de ácido bórico, 3-7 partes de citrato de sodio y 80-100 partes de agua. El hormigón de alto rendimiento es de alta resistencia y buena impermeabilidad. Sin embargo, no es explícito en incluir un árido liviano del tipo que se incluye en el hormigón liviano estructural, ni divulga un rango óptimo de concentraciones de sus componentes y en específico, las concentraciones óptimas de los agregados livianos de residuos plásticos, para potenciar la resistencia mecánica y la conductividad térmica de dicho hormigón liviano.

La solicitud de patente CN 102199021 , divulga una tecnología de preparación para hormigón de muy altas prestaciones y pertenece al campo de la tecnología del hormigón en la ingeniería civil. La invención se caracteriza porque: 1 m ³ de hormigón contiene 380 a 420 kg de cemento, 680 a 740 kg de árido fino, 1120 a 1190 kg de árido grueso, 130 a 160 kg de agua, 50 a 75 kg de cenizas volantes, 25 a 64 kg de humo de sílice, 6,1 a 10,4 kg de un reductor de agua de alto rendimiento, 0,05 a 0,25 kg de nanotubos de carbono de paredes múltiples y 15 a 25 kg de nanopartículas de sílice. La tecnología de preparación consiste en realizar una agitación mecánica durante 180 a 240 segundos. Los nanotubos de carbono se añaden en forma de líquido de dispersión, y un dispersante es bromuro de cetil trimetil amonio. La invención permite que el hormigón de súper alto rendimiento tenga una propiedad mecánica mejorada y una calidad duradera, una vida útil drásticamente aumentada y la capacidad de ser utilizado en proyectos donde los requisitos para el rendimiento del hormigón son altos, por ejemplo, a gran escala en el mar, puentes, edificios super altos y similares. Sin embargo, no es explícito en incluir un árido liviano del tipo que se incluye en el hormigón liviano estructural, ni divulga un rango óptimo de concentraciones de sus componentes y en específico, las concentraciones óptimas de los agregados livianos de residuos plásticos, para potenciar la resistencia mecánica y la conductividad térmica de dicho hormigón liviano.

La solicitud de patente CN 101935192, divulga a un hormigón aislante de agregados ligeros anti-agrietamiento y anti-permeabilidad, que es adecuado para la fabricación de pendientes de capas de techos y acolchados de baños, piscinas y calzadas y pertenece al campo de los materiales de construcción. El concreto aislante de agregado liviano anti-agrietamiento y anti-permeabilidad comprende las siguientes materias primas en partes por peso: 50-60 partes de cemento, 30-50 partes de arena de cuarzo, 5-9 partes de humo de nano-sílice, 3,5-9 partes de cenizas volantes o polvo de escoria, 10 partes de sepiolita, 2,5-3 partes de polvo de látex dispersable impermeable, 0,75-3,6 partes de lote maestro activo cristalino capilar, 0,9-1 , 5 partes de fibra dura y 2,5-6 partes de cemento de emulsión acrílica en polvo modificador. Sin embargo, el documento no es explícito en incluir un árido liviano del tipo que se incluye en el hormigón liviano estructural, ni divulga un rango óptimo de concentraciones de sus componentes y en específico, las concentraciones óptimas de los agregados livianos de residuos plásticos, para potenciar la resistencia mecánica y la conductividad térmica de dicho hormigón liviano.

Así, entonces, se tiene que actualmente existen soluciones para producir hormigón liviano que cumplan con el objetivo de tener buena resistencia mecánica y/o baja conductividad térmica (o buena aislación térmica), inclusive se utilizan algunos elementos de nanotecnología para mejorar sus propiedades. Sin embargo, dependiendo la cantidad de cada material utilizado en la mezcla, es que se pueden variar los efectos que puede tener una determinada mezcla de hormigón.

Por tanto, existe la necesidad de determinar composiciones que optimicen los efectos beneficiosos de cada componente, mejorando su capacidad de resistencia mecánica y térmica, con la consideración de usar los materiales óptimos en el menor rango posible y que maximice los beneficios, ya que, vahos de los materiales de nanotecnología utilizados, pueden representar un coste demasiado alto, lo que encarece el valor del producto final y lo transforma en un producto de reducido alcance para los usuarios del producto. Por tanto, otra de las necesidades es formular nuevas composiciones que sean más económicas de realizar, pero con mejores propiedades que los hormigones livianos estructurales conocidos en el estado de la técnica.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

La tecnología divulgada en la presente invención, permite solucionar el problema técnico señalado, estableciendo una composición de Hormigón Liviano Estructural Nanotecnológico (HLEN), en donde, el inventor ha encontrado los rangos de concentraciones óptimas de cada componente, dentro de la formulación, para maxim izar los efectos de resistencia mecánica y térmica, haciendo que este hormigón liviano pueda ser usado en forma estructural, cumpliendo con las normas de construcción, que sea resistente, que permita una buena aislación térmica y que esté al alcance económico de la mayor parte de los usuarios.

En consecuencia, la presente invención se basa en, una composición de hormigón liviano estructural nanotecnológico, que está comprendida por cemento, arena, áridos livianos, surfactante y nanopartículas de S¡02 de una pureza de 96% a 98%, de acuerdo a los siguientes valores en base al volumen de la mezcla de hormigón liviano: cemento (530 kg/m ³ ); agua (entre 276-283 kg/m ³ ); arena (entre 343-755 kg/m ³ ); nanopartículas de S¡O2 (5,3 kg/m ³ ); surfactante (1 ,59 kg/m ³ ); y áridos livianos (entre 327-545 kg/m ³ ).

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA FIGURAS

Una descripción detallada de la invención se llevará a cabo en conjunto con las figuras que forman parte de esta solicitud.

Es importante indicar que las figuras sólo actúan como elementos de apoyo para una mejor comprensión de la invención. La invención tampoco puede verse limitada sólo a lo que aparece en las figuras, pues ellas representan, en una forma pedagógica, los elementos trascendentes de la composición y pueden no incluirse elementos que son de conocimiento general en el estado de la técnica. Así entonces, se tienen las siguientes figuras:

Figura 1 : Esquema de propiedades y composición general de los hormigones.

Figura 2: Gráficos de densidad, resistencia mecánica y resistencia térmica.

Figura 3: Gráficos de resistencia mecánica y conductividad térmica de HLEN.

Figura 4: Diagrama de resistencia entre hormigón liviano y HLEN.

Todas las referencias numéricas que se realizan a lo largo de toda la descripción de la invención deben considerarse en todo el conjunto de las figuras, pues, se da el caso que en un mismo párrafo se hacen referencias numéricas a elementos que se pueden encontrar en dos o más figuras distintas. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Para una mejor comprensión del presente invento, es necesario entregar las siguientes definiciones, las que sólo deben ser entendidas como elementos que ayudan a una mejor comprensión de las características técnicas particulares en este campo técnico.

Como se utiliza en el presente invento, el término “hormigón liviano" hace referencia a aquel tipo de hormigón que posee menor peso que los hormigones convencionales y se clasifica por su densidad, sin requisito de resistencia. Poseen una densidad en estado seco al aire menor a 1.850 kg/m ³ , se dividen en tres tipos: los hormigones aireados (que se fabrican con aditivos espumantes), los hormigones finos y los hormigones con áridos livianos. La principal ventaja del hormigón liviano es su reducido peso, lo que lo hace ideal para rellenos, contrapisos livianos, rampas, como base para el pegado de tejas sobre losa, piezas moldeadas, entre otros. Sin embargo, al referirse a Hormigón ligero estructural (HLE), se define como aquel cuya densidad aparente, medida en condición de seco hasta peso constante, es inferior a 2000 kg/m ³ , pero superior a 1200 kg/m ³ lo que se consigue añadiendo una cierta proporción de árido ligero (natural o artificial), que generalmente tiene cualidades porosas, similares a las rocas volcánicas.

Como se utiliza en el presente invento, el término “surfactante" se refiere a sustancias que influyen (por medio de la tensión superficial), en la superficie de contacto entre dos fases, son también llamados tensoactivos o tensioactivos.

Como se utiliza en el presente invento, el término “nanopartículas", corresponde a toda partícula que posee las tres dimensiones menores que 100 nm. Cabe destacar que, las partículas están calificadas por su diámetro, encontrando: i) partículas ultrafinas, son las mismas que las nanopartículas entre 1 y 100 nanómetros en tamaño; ¡i) partículas finas, están entre los 100 y 2.500 nanómetros; y iii) partículas gruesas, cubren un rango de entre 2.500 y 10.000 nanómetros. Como se utiliza en el presente invento, el término “tereftalato de polipropileno" (PET) es un tipo de plástico, es muy utilizado para la fabricación de envases. Por su composición química, el PET se clasifica como un tipo de poliéster. Se obtiene mediante la policondensación entre el ácido tereftálico y el etilenglicol. Dentro de las ventajas de este material se encuentran: excelentes propiedades mecánicas (resistente al desgaste y al plegado); muy buena barrera a CO2 y aceptable a oxígeno y humedad; alta resistencia química e indeformabilidad térmica; transparente y cristalino, y admite algunos colorantes; liviano; 100% reciclable.

Tal como se indicó en párrafos anteriores, las propiedades de resistencia mecánica y aislación térmica suelen ser dos elementos mutuamente excluyentes al momento de generar una composición de hormigón, y en especial, sí se quiere generar un hormigón liviano.

Por tanto, una de las ventajas de la invención, es que, el inventor logró conjugar estas 2 propiedades -hasta ahora excluyentes- en un único material, donde se han optimizado los rangos de concentración de cada componente para mejorar estas dos propiedades (mecánica y térmica) a base de una composición de cemento, áridos livianos (plásticos) y nanopartículas de S¡O2. Ya que, la mezcla de hormigón con árido liviano (plástico) genera un elemento constructivo con buena aislación térmica, pero baja resistencia mecánica, pero la presente invención adiciona nanopartículas de S¡O2 a la mezcla (en concentraciones, niveles de dispersión y homogenización específicos) los que aumentan considerablemente la resistencia mecánica del hormigón, dejándolo en estándares de un hormigón liviano estructural. Además, se pueden formular en diferentes dosificaciones para diferentes requerimientos constructivos.

Así entonces, a través del presente invento, se han desarrollado pruebas de laboratorio que permiten establecer el rango óptimo de concentraciones de los componentes para la formulación de un hormigón liviano, con nanotecnología y áridos, ya que, en el estado del arte se describen otros hormigones livianos, pero estos no habían optimizado, ni demostrado cuáles son los rangos óptimos de concentración para maxim izar los efectos de aislación térmica y resistencia mecánica en este tipo de hormigones.

Otra de las ventajas de la presente invención, es que los componentes del HLEN permiten que este tenga resistencia mecánica similar al hormigón común y buen desempeño en aislación térmica, pero además los inventores han identificado que la incorporación de nanopartículas al hormigón mejora otros aspectos tales como la impermeabilidad, la erosión, e incluso hay indicios de que puede otorgarle propiedades antimicrobianas.

El inventor, a través de un largo proceso de investigación y desarrollo, ha podido establecer los beneficios de la incorporación de nanopartículas en asfaltos y hormigón. Así también, el inventor, ha reconocido que existe una preocupación en materia de vivienda que está ligada al tema energético, por lo que se requiere que las construcciones tengan una aislación térmica superior, dado que el actual hormigón no cumpliría esas condiciones. A través de distintas pruebas, en las que el inventor, trabajó con hormigón común y corriente y agregó un desecho de la industria del plástico, llegó en forma sorprendente e inesperada, a comprobar que el hormigón resultante tuvo una notable mejoría en la aislación térmica, pero este hormigón perdió resistencia mecánica, la cual fue mejorada con nanotecnología. todo lo anterior, culmina como el resultado de una composición de HLEN cuyos componentes se encuentran dentro de un rango específico, lo que permite conjugar su resistencia mecánica con la aislación térmica, derivando todo ello en producto técnicamente innovador y de costes reducidos.

En consecuencia, el principal aspecto novedoso de la presente invención es la mejora sustancial del comportamiento térmico de un compuesto a base de cemento, sin descuidar demasiado la resistencia mecánica del hormigón, que es un problema que suele suceder mucho en los hormigones livianos actuales, ya que, en la presente invención se llegó a el rango de concentraciones óptimos de componentes, que permiten optimizar un material con buena resistencia mecánica y aislación térmica. Un aspecto promisorio para la industria y comercialización es que, utiliza el material más usado y aceptado para la construcción de edificaciones y estructuras “el hormigón”. Esto le otorgaría un nivel de confianza a los usuarios y a la industria frente a otras propuestas que suelen tener comportamientos mecánicos muy por debajo de los materiales cementicos.

Así entonces, se pretende explicar las ventajas técnicas de la invención través de las figuras que acompañan esta solicitud, por ejemplo, en la figura 1 se representa el desarrollo tecnológico de la presente invención. Específicamente, se muestra la resistencia mecánica y capacidad aislante de los hormigones, en donde, en el círculo (1 ) se representa el hormigón convencional, en el círculo (2) se representa el hormigón celular o liviano y en el círculo (3) se representa el HLEN de la presente invención. Dicho HLEN corresponde a un nuevo material constructivo compuesto principalmente por: cemento, desechos plásticos de PET y nanopartículas de SÍO2, el cual logra combinar propiedades normalmente excluyentes en un único material compuesto: alta resistencia mecánica y baja conductividad térmica, equivalente a buena aislación térmica. Ya que, como muestra la figura 1 , el hormigón convencional (1 ) tiene una alta resistencia mecánica pero baja aislación térmica, el hormigón celular (2), tiene una buena aislación térmica pero baja resistencia mecánica, mientras que, el HLEN (3) tiene ambas propiedades en un único compuesto.

Por tanto, la invención reivindica una composición de hormigón liviano estructural nanotecnológico, que está comprendida por cemento, arena, áridos livianos, surfactante y nanopartículas de S¡O2 de una pureza de 96% a 98%, de acuerdo a los siguientes valores en base al volumen de la mezcla de hormigón liviano: Cemento: 530 kg/m ³ ; Agua: 276 a 283 kg/m ³ ; Arena: 343 a 755 kg/m ³ ; Nanopartículas de SÍO2: 5,3 kg/m ³ ; Surfactante: 1 ,59 kg/m ³ ; Áridos livianos: 327 a 545 kg/m ³ .

Además, la composición contempla que las nanopartículas de S¡O2 se encuentran en formato de polvo y con dos tamaños de nanopartículas con diámetros que varían entre 20-30 y 60-70 nm. Donde dichas nanopartículas de S¡O2 al momento de formular la composición se encuentran homogenizadas en una solución de agua y surfactante, en una relación en masa de nanopartículas/agua de 25/100 y una relación en masa de nanopartículas/surfactante de 10/3.

Por otra parte, la composición de la presente invención contempla que los áridos livianos correspondan a desechos plásticos de tereftalato de polietileno (PET), y que tengan un tamiz de una malla de 5 mm antes de ser incorporados a la mezcla de mortero u hormigón.

En la figura 2, se grafican las relaciones entre el aumento de densidad y como éste influye en la resistencia térmica o mecánica del hormigón. Particularmente, se gráfica la relación de resistencia mecánica, resistencia térmica y densidad del hormigón, donde, la figura 2A representa la problemática de los hormigones actuales, donde la resistencia mecánica y la resistencia térmica son inversamente proporcionales al ir aumentando la densidad del hormigón. Por su parte, en la figura 2B, se puede apreciar el efecto de agregar nanopartículas a la composición, donde dicho agregado permite desplazar la curva, permitiendo generar un hormigón liviano pero que presenta alta resistencia mecánica y buena aislación térmica.

En la figura 3, se grafican las resistencias mecánicas y térmicas del hormigón formulado según la composición de la presente invención. En A, resistencia mecánica de HLEN con nanopartículas de 60-70 nm. En B, resistencia mecánica de HLEN con nanopartículas de 20-30 nm. En C, conductividad térmica de HLEN con nanopartículas de 60-70 nm. En D, conductividad térmica de HLEN con nanopartículas de 20-30 nm.

EJEMPLOS

La descripción de las pruebas de rigor para demostrar el impacto de la composición de HLEN, se confirma a través de los siguientes ejemplos comparativos. Los siguientes ejemplos, representan los estudios sobre los componentes de la composición propuesta y sus propiedades mecánicas y térmicas; determinando los métodos extrapoladles a la industria para la fabricación del compuesto constructivo. Estos análisis se realizaron cumpliendo las normas ASTM y las normas chilenas, para la elaboración de hormigones y ensayos de propiedades mecánicas y térmicas del HLEN.

Ejemplo 1 : Procedimiento de elaboración de la mezcla (HLEN).

El HLEN es un material constructivo que está compuesto por cemento portland corriente (pero se puede utilizar cualquier tipo de cemento), nanosílice (SÍO2), arena (árido pétreo) y árido o agregado liviano (residuos PET = RPET). Para su elaboración se mezclan el cemento, agua, arena y agregado liviano a través del método descrito por la norma ASTM C 305-99 el cual consiste consecutivamente en:

- Colocar la cantidad adecuada de agua de amasado en el recipiente mezclador (con el recipiente y la paleta secos y limpios). Esta agua de amasado contiene a su vez la solución coloidal de agua con nanopartículas y surfactante que se describe en el ejemplo 2 (las nanopartículas se agregan a la mezcla en una concentración del 1 % respecto de la masa del cemento en seco).

- Se agrega el cemento en el recipiente mezclador y se mezcla por 30 segundos a una velocidad baja de la paleta mezcladora.

- Luego se incorpora todo el árido (compuesto por arena + árido o agregado liviano) y se mezcla por 30 segundos a una velocidad baja de la paleta mezcladora (el porcentaje y características del agregado liviano se describen en el ejemplo 3).

- Luego se mezcla por 30 segundos más a una velocidad media de la paleta mezcladora.

- Se detiene el mezclador y se deja reposar por 90 segundos. En los primeros segundos del intervalo de reposo se saca con una espátula la mezcla adherida a las paredes del recipiente para que toda la mezcla quede homogéneamente distribuida en la parte inferior del recipiente. En el resto del intervalo de reposo se tapa la mezcla.

- Finalmente se mezcla por 60 segundos más a una velocidad media de la paleta mezcladora.

Con este procedimiento la mezcla de HLEN está lista para ser vertida en los moldes para la elaboración de probetas, paneles u otra conformación requerida. Es importante mencionar que el procedimiento descrito previamente, está diseñado para pequeñas cantidades de mezcla de hormigón, pero estos métodos están diseñados para estandarizar mediciones y para emular las condiciones normales de mezclado de grandes cantidades hormigón. Es decir que para elaborar HLEN en una obra o en planta (en grandes cantidades) se necesitan los mismos procedimientos que para el hormigón normal, con la excepción de que el agua de amasado debe contener las nanopartículas (lo cual se logra con el método descrito en el ejemplo 2), y la arena y agregado liviano se agregan como un árido normal en las proporciones descritas en el ejemplo 3.

Para describir los procedimientos exactos de mezclado y dosificaciones de los diferentes elementos que componen el HLEN, se toma como base las cantidades necesarias para elaborar 1 m ³ de mezcla (siguiendo las nomenclaturas típicas de la industria del hormigón). Las proporciones de los diferentes materiales se miden en relación a la masa del cemento en seco en las siguientes proporciones: 1 % de nanopartículas, 50% de agua, 259% de árido (para el cemento sin árido o agregado liviano).

Ejemplo 2: Método de dispersión de nanopartículas.

Para incorporar las nanopartículas en el hormigón, estás son dispersadas y estabilizadas en el agua de amasado (agua con la cual se elabora el hormigón). Las nanopartículas son dispersadas a través de ultrasonido en una solución acuosa compuesta de agua potable y surfactante el cual se agrega en una proporción de 0,3% respecto de la masa del cemento. El agua es extraída de la red de suministro de la cuidad de Santiago, libre de materia orgánica y sales dañinas (según normas NCh 1498 Of. 82 y NCh 1443 Of. 78).

El surfactante utilizado corresponde a un superplastificante para hormigón, el cual está compuesto por polímeros sintéticos en solución acuosa que mejoran el trabajo, consistencia y otras propiedades del hormigón. Este aditivo es de uso típico en la industria del hormigón, y existen diversas marcas y modelos que cumplen una función similar. El procedimiento consiste en mezclar en un recipiente (vaso de precipitado u otro) las cantidades adecuadas de agua, surfactante y nanopartículas de SÍO2, revolviendo manualmente (o automáticamente) con una paleta para homogenizar la mezcla. Luego, se aplica ultrasonido (con una potencia mínima de alrededor de 70 W por litro de solución) por 30 minutos a esta mezcla, con lo cual se obtiene una solución coloidal homogénea de color blanquecino y estable, que posteriormente es utilizada como parte del agua de amasado para la elaboración de la mezcla de cemento, arena y árido liviano.

Para obtener una solución homogénea y estable de nanopartículas en agua, se elaboran soluciones de nanopartículas, agua, y surfactante en una relación de nanopartículas/agua de (25/100) y nanopartículas/surfactante de (10/3) de masa, mezcla que es sometida al proceso de agitación mecánica fuerte, para después ser sometida al ultrasonido de alta potencia por 30 minutos. Este procedimiento se determinó después de un estudio sistemático de los niveles de dispersión de las nanopartículas en agua a través de microscopía óptica y espectrofotometría IIV-VIS, en función de las concentraciones de cada uno de los componentes y el tiempo de aplicación de ultrasonido.

2.1. Características de las nanopartículas.

Se utilizaron 2 tamaños de nanopartículas de idéntica composición química (S¡O2): entre 60-70 nm y entre 20-30 nm de diámetro característico (por lo cual se puede decir que las nanopartículas utilizadas tienen tamaños entre 20-70 nm de diámetro característico). Este material viene en formato de polvo seco con una pureza superior al 96%. Las características de las nanopartículas utilizadas en la elaboración del HLEN se resumen en la Tabla 1.

Tabla 1: Características de las nanopartículas de S¡O2. . .. _l ... „ Nanosílice

Características Nanosihce 1

Composición química SÍÜ2 S¡O2

Pureza [%] > 98 > 96

Diámetro [nm] 60-70 20-30

Superficie especifica

[m ² /g] 160-600 130-600

Densidad [g/cm ³ ] 2,4 2,4 Ejemplo 3: Método de incorporación de árido o agregado liviano (RPET).

El árido liviano utilizado para la elaboración de HLEN corresponde a desechos plásticos de PET (tereftalato de polietileno) de la industria del termoformado en extrusoras de ventilación. Los RPET se genera como un residuo en las extrusoras, cuyas propiedades son diferentes a las del PET virgen, es producido en grandes cantidades a nivel industrial y tiene un aspecto granular y de trozos irregulares. El material a granel es tamizado por una malla de 5 mm antes de ser incorporado a la mezcla de mortero u hormigón. Es importante mencionar que se puede utilizar cualquier otro árido natural o artificial liviano como reemplazo del plástico para disminuir la densidad del hormigón.

Para incorporar el RPET se reemplaza parte del volumen de arena por el árido liviano RPET en proporciones de 15, 30, 45, 60, 75, 90 y 100% del volumen de arena. Esto con el fin de mantener el volumen de árido total (arena + árido liviano) constante en cualquier mezcla.

Tomando como base una cantidad de 530 kg de cemento (en seco) para generar 1 m ³ de HLEN, las proporciones de arena, árido liviano RPET y cemento son las dadas en la Tabla 2.

Tabla 2: Cantidad (masa) de componentes en kg para generar 1 m ³ de material.

% de reemplazo de Cemento [kg/m ³ ] Arena [Kg/m ³ ] RPET [Kg/m ³ ] agregado liviano (RPET)

0 530 1372 0

15 530 1166 109

30 530 960 218

45 530 755 327

60 530 549 436

75 530 343 545

90 530 137 654

100 530 0 727

Ejemplo 4: Cemento, Dosificaciones, fórmulas y rango de concentraciones. El cemento utilizado corresponde a cemento portland a base de clinker, puzolana y yeso, que según la norma NCh 148 Of. 68 se clasifica como un cemento de clase puzolánico de grado corriente. Sin embargo, se puede utilizar cualquier tipo de cemento para la elaboración de HLEN, siguiendo las mismas metodologías descritas aquí.

Se establece una dosis de cemento de 530 kg para la elaboración de 1 m ³ de HLEN para lo cual se debe utilizar una proporción de 50% de agua incorporada a la mezcla:

- Dosis de cemento: Ce = 530 kglm ³

- Razón agua/cemento: Ag Ce = 0,5

- Agua: Ag = 265 kglm ³

Luego, asumiendo un 3% de contenido de aire en la mezcla se obtiene la dosis de arena 4r) según la ecuación:

Donde la densidad del cemento (pCe), agua (pAg) y arena (pAr) son:

Por lo cual la cantidad de arena es de Ar = 1372 kglm ³ .

Se corrige la cantidad de agua en la mezcla en función de la absorción de agua en la arena y el agregado liviano (Al), de 2% y 0,75% respectivamente. Finalmente, se reemplaza en un 15, 30, 45, 60, 75, 90 y 100% el volumen de arena por agregado liviano RPET, cuya densidad es pAI = 1439 kglm ³ .

Obteniendo así la dosificación de los componentes; cemento, agua, arena, agregado liviano RPET, nanosílice y surfactante como se muestra en la Tabla 3. Tabla 3: Dosificación de componentes para la elaboración de HELN con diferentes contenidos de agregado liviano.

Porcentaje de Agregado Surfactan agregado Cemento Agua Arena liviano Nanosílice te [kg/ liviano RPET [kg/m ³ ] [kg/m ³ ] [Kg/ m ³ ] RPET [Kg/ [kg/ m ³ ]

45 530 283 755 327 5,3 1 ,59

60 530 279 549 436 5,3 1 ,59

75 530 276 343 545 5,3 1 ,59

La cantidad de nanosílice y surfactante es de un 1% y un 0,3% respecto a la cantidad de cemento. Así, se adiciona a cada mezcla: Nanosílice = 5,3 kg/m ³ ', Surfactante = 1 ,59 kg/m ³ .

Ejemplo 5: Propiedades mecánicas y térmicas óptimas del HLEN.

Las diferentes formulaciones de HLEN de la tabla 3, se sometieron a pruebas de resistencia mecánica, y resistencia térmica, y se compararon con hormigones control, convencionales en el mercado. Los métodos para medir este tipo de características son conocidas en el estado del arte, por ejemplo, para la medición de la resistencia mecánica, se utiliza un trozo de muestra que se presiona contra una prensa hidráulica y se registran los valores de fuerza hasta que el material se rompe. Por otra parte, para la resistencia térmica, se pueden utilizar pruebas de medición de la transferencia de calor que traspasa de un lado a otro en un trozo de material.

Los resultados de las propiedades mecánicas y térmicas del HLEN se muestran en la figura 3, donde los paneles A y B indican que el HLEN tiene una resistencia mecánica de hasta casi 5 MPa más, en comparación al hormigón liviano convencional. En el caso del HLEN elaborado con las nanopartículas de tamaños entre 60-70 nm logró el mejor desempeño mecánico (figura 3A).

Los resultados de la conductividad térmica se muestran en los paneles C y D de la figura 3, los cuales indican que la conductividad térmica decrece hasta un 60% cuando el porcentaje de reemplazo de agregado liviano es del 100% (nanopartículas de S¡O2 de 60-70 nm en C, y de 20-30 nm en D), lo cual significa una aislación térmica 3 veces mayor que el hormigón liviano convencional.

Finalmente, en la figura 4, se muestra un diagrama con la estructura molecular de HLEN en comparación al hormigón liviano convencional, y un gráfico donde se indica la resistencia mecánica (o) y térmica (Rt) del hormigón en función de la densidad. Se puede observar que solo un punto (p1 ) del hormigón liviano convencional (líneas con puntos que está más abajo en el gráfico), se encuentra en la “Zona Estructural” (cuadrante superior izquierdo del gráfico), con una resistencia mecánica de 19 MPa. Mientras que el HLEN (línea con puntos que está más arriba en el gráfico) se encuentra casi totalmente en la zona estructural, donde el HLEN con igual densidad que p1 (y resistencia térmica de aproximadamente 0,15) tiene una resistencia mecánica más alta de 22,5 MPa (p2) y resistencia térmica de aproximadamente 0,20 (la resistencia térmica se representa por la línea con triángulos en el gráfico).

En conclusión, con estas pruebas se logró dar con la composición óptima para optimizar la resistencia mecánica y conductividad térmica, donde, según como se indica en los valores sombreados en la tabla 3, los rangos óptimos de RPET están entre los 327-545 kg/m3 (45-70%), siendo el valor óptimo para optimizar las resistencias mecánica y térmica de 436 kg/m3 (60%). Por tanto, ningún documento del arte previo había demostrado ni llegado a los rangos o valor óptimo de trabajo del RPET dentro de la composición con el fin de mejorar la resistencia mecánica y conductividad térmica.

Por tanto, los ejemplos, figuras y descripción de la invención anteriores, sustentan la composición de hormigón liviano estructural nanotecnológico, demostrándose que presenta una ventaja técnica sobre el arte previo, ya que, se establece un rango óptimo de concentración de los componentes para obtener el mejor resultado a nivel de propiedades térmicas y mecánicas, que no había sido descrito de esta forma en el estado del arte previo. Por ende, el alcance de la composición descrita en la presente invención no debe limitarse sólo a los componentes mencionados en el texto o las figuras, ya que, el material se puede generar en diversos formatos como: paneles listos para la construcción, en formato a mezclar, en conjunto con otros materiales. Por otra parte, la incorporación de nanopartículas en el hormigón mejora sustancialmente su resistencia mecánica, pero se pueden fusionar con otras nanopartículas (con actividad antimicrobiana, resistente a la corrosión y erosión, impermeabilidad, entre otras) sin perder sus propiedades. En consecuencia, el uso de nanopartículas en el hormigón puede generar un material de alto desempeño para requerimientos extremos como: la minería, acueductos, ambientes corrosivos, entre otros.