Materiales alternativos al cemento Portland: geopolímeros
El estudio y desarrollo de nuevos materiales cementantes alternativos al cemento Portland es una línea de investigación prioritaria y de gran interés a escala mundial, en donde, con el desarrollo de estos nuevos materiales se pretende minimizar en la medida de lo posible las emisiones de gases contaminantes a la atmósfera así como un apreciable ahorro energético.
Dentro de estos materiales alternativos se encuentran aquellos que proceden de la activación alcalina de productos naturales o subproductos industriales, tales como las escorias de horno alto y/o las cenizas volantes, en donde tras la activación de estos materiales con disoluciones alcalinas se obtienen dichos materiales. Estos cementos y hormigones alcalinos se caracterizan por presentar bajos calores de hidratación, elevadas prestaciones mecánicas, y buena durabilidad frente a diferentes agresivos químicos (medios ácidos, sulfáticos, etc), y no requieren en su elaboración elevados consumos energéticos como ocurre en el proceso de fabricación del cemento Portland. Los activadores alcalinos que se emplean son disoluciones fuertemente alcalinas (NaOH, Na2CO3 o silicatos alcalinos hidratados).
En nuestro grupo de investigación se trabaja en establecer las bases científicas para una mejor compresión de todos y cada uno de los mecanismos implicados en la activación de los diferentes materiales, así como en la caracterización física, química, mecánica y mineralógica de los principales productos de reacción formados, mediante el uso de diferentes técnicas de caracterización, destacando la Microscopia Raman Confocal.
- Desarrollo de pastas, morteros y hormigones activados alcalinamente y/o geopolímero de cenizas volantes y escorias de alto horno.
- Desarrollo de nuevos materiales cementantes y activadores alternativos a partir de residuos o subproductos industriales, estudiante la viabilidad de estos residuos como posibles precursores.
- Estudio y desarrollo de cementos híbridos (OPC + escoria + cenizas)
- Estudio de la durabilidad de estos materiales frente a diferentes agentes agresivos (sulfatos, cloruros, carbonatación, etc) así como los fenómenos de corrosión en las armaduras (diferentes tipos de aceros).
Tratamientos superficiales y adhesión: adhesivos, pinturas y recubrimientos
Hemos desarrollado esta línea de investigación para tratar de resolver problemas que presentan la adhesión numerosos materiales de aplicación industrial que deben ser pegados y/o pintados para formar parte de estructuras. Trabajamos en la selección de un adecuado tratamiento superficial (medioambientalmente correcto) adaptado a cada tipo de superficie, estudiando el proceso de curado del adhesivo, pintura o recubrimiento. Así mismo se realizan simulaciones de las uniones adhesivas y ensayos de durabilidad en medios agresivos. Todo ello nos permite encontrar nuevas aplicaciones para estos materiales sobre diferentes sustratos.
Esta línea de investigación se desarrolla en los siguientes campos:
- Mejora de la adhesión de pinturas y adhesivos por modificación mediante plasma de las superficies de los sustratos sobre los que se aplican.
- Reducción de la capacidad de adhesión sobre algunas superficies: tratamientos antigrafitti, desarrollo de agentes desmoldeantes y superficies superhidrofóbicas
- Comportamiento mecánico y fiabilidad de adhesivos flexibles tenaces en medios agresivos y su posible utilización en uniones estructurales resistentes a vibraciones e impactos.
- Desarrollo de uniones adhesivas entre materiales disimilares con aplicaciones estructurales.
- Estudio del comportamiento térmico y cinética de curado de resinas modificadas con distintas características funcionales.
- Simulación y optimización de uniones adhesivas graduadas.
- Estudio de cementos óseos (adhesivos base metacrilato) con diferentes tipos de cargas.
Esta línea de investigación está ligada a la de materiales compuestos ya que muchos adhesivos se emplean como matrices y la unión con los refuerzos es un problema de adhesión.
Corrosión
En el grupo de investigación de Comportamiento en Servicio de Materiales se cuenta con amplia experiencia en la realización de estudios de durabilidad de materiales metálicos en ambientes corrosivos, cuantificando la velocidad de corrosión mediante técnicas electroquímicas. De forma complementaria, el grupo tiene a su disposición y maneja técnicas adecuadas para evaluar con sensibilidad aspectos tan relevantes para el comportamiento en servicio final como la morfología exacta del ataque. Además, se dispone de recursos y conocimientos adecuados para diseñar y evaluar alternativas de protección de metales en medios químicamente agresivos.
La experiencia del Grupo de Comportamiento en Servicio de Materiales en estudios de corrosión le permite establecer colaboraciones habituales con industrias para analizar problemas de fallo en servicio originados por corrosión o caracterizar la durabilidad de nuevos materiales, recubrimientos, diseños o estrategias comercializables o implantables en componentes. Para ello, se recurre tanto a técnicas electroquímicas como a los habituales ensayos acelerados en cámaras.
Por otro lado, los investigadores del grupo han realizado estudios científicos innovadores. Centrándose específicamente en los últimos años, destacan los desarrollados en los siguientes temas:
- Diseño de celdas de corrosión con electrolitos en fase gel adecuadas para monitorizaciones in-situ y/o estudios sobre superficies de morfología compleja.
- Influencia de la reserva alcalina de los cementos y la microestructura de las barras de acero al carbono en el desarrollo de la corrosión de los refuerzos en hormigón.
- Durabilidad de armaduras corrugadas de acero inoxidable: influencia de la composición química de las barras, procesado y microestructura en el posible inicio y desarrollo de la corrosión en hormigones expuestos en ambientes con cloruros.
- Influencia de la deformación y las tensiones en el comportamiento a corrosión de los aceros inoxidables austeníticos y dúplex.
- Diseño de recubrimientos orgánicos e inorgánicos para garantizar la durabilidad de componentes en diferentes condiciones agresivas.
Recubrimientos orgánicos
La degradación de los metales debido a la corrosión es un gran problema que supone muchas pérdidas tanto económica como prácticamente. Los recubrimientos orgánicos son uno de los métodos más empleados para combatir la corrosión. La resistencia a desgaste de estos recubrimientos orgánicos es muy importante para evitar imperfecciones que destruyan el efecto barrera y permitan el inicio del proceso de corrosión en el metal base.
Actualmente, una de las tendencias más importantes es el empleo de pinturas en polvo como alternativa a las pinturas líquidas convencionales. Como gran ventaja, los recubrimientos en polvo no contienen disolventes en su composición, lo que supone un mayor interés medioambiental. Otra ventaja de las pinturas en polvo es el factor económico, ya que el material que no se adhiere durante el proceso de pintado, se puede recuperar hasta en un 98%.
Otra de las tendencias actuales es la funcionalización de recubrimientos con diferentes tipos de nanopartículas con el fin de aumentar su resistencia a desgaste y así, su función de protección ante la corrosión. En el grupo de Comportamiento en Servicio de Materiales se están realizando estudios científicos con distintos tipos de recubrimientos (base epoxi y base poliéster), con nanopartículas de SiO2 de distinta naturaleza (hidrofílicas e hidrofóbicas) y con utilizando diferentes metódos de mezcla (molienda mecánica y mezcladora en caliente). Los estudios que se realizan en el grupo con el fin de caracterizar y comprobar el comportamiento en servicio de los recubrimientos funcionalizados con nanopartículas son los siguientes:
- Estudios morfológicos y de homogeneidad de las nanopartículas en la matriz.
- Estudios de desgaste abrasivo y erosivo de recubrimientos en polvo junto con estudios de dureza y rigidez.
- Estudios de adherencia y rugosidad.
- Estudios cinéticos del polvo de pintura con nanopartículas.
- Estudios de propiedades estéticas (color y brillo).
- Estudios de corrosión.
Materiales Compuestos
Actualmente, el uso de materiales compuestos como alternativa a materiales convencionales más pesados se está extendiendo en una gran variedad de industrias, desde el transporte hasta los materiales deportivos. Estos materiales ofrecen unas muy buenas propiedades mecánicas reduciendo el peso de forma muy significativa.
Es por ello, por lo que desde el grupo de Comportamiento en Servicio de Materiales, se ha desarrollado esta línea de investigación, trabajando varios tipos de materiales compuestos de matriz polimérica. En el grupo, se realizan estudios con fibras sintéticas (vidrio, carbono…) y naturales (lino, coco…), así como con cargas en forma de partículas (SiC, BN, polvo de mármol…).
También se realizan estudios sobre reciclado de materiales compuestos, una problemática actual en la que se están centrando muchos esfuerzos desde la comunidad científica.
Además, con el conocimiento en tratamientos superficiales y adhesión del que disponemos, realizamos estudios exhaustivos de la intercara matriz-refuerzo y de su adhesión. Entre los ensayos que se realizan destacan:
- Estudio de propiedades mecánicas de los composites: ensayos de tracción, flexión, impacto…
- Tratamientos superficiales de fibras: APPT, LPP, silanización…
- Caracterización de la intercara con estudios de adhesión y mojabilidad: pelado, pull-off, pull-out, ángulo de contacto…
- Caracterización química: DSC, FTIR, TGA…
- Caracterización topográfica: SEM, perfilometría óptica…
Otros aspectos de Comportamiento en Servicio de Materiales
El grupo de investigación ha colaborado en la realización de trabajos teóricos relacionados con otros ámbitos del comportamiento en servicio de materiales. Mediante simulación por elementos finitos se ha trabajado en diferentes aspectos de la mecánica de fractura. Entre estos aspectos cabe destacar el estudio de resistencia a impacto de materiales poliméricos o el uso de la intensidad de campo de esfuerzo singular (Intensity of singular stress field, ISSF) para el cálculo de puntos críticos de concentración de tensiones en interacciones metal-polímero.
