Lograr desempeños mecánicos/de unión sobresalientes con nanocompuestos epoxi como concreto

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9157 (2023) Citar este artículo

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El anclaje de barras de refuerzo de acero en estructuras de hormigón es un método común en la industria de la edificación y la construcción. Esta investigación se centra en mejorar las propiedades mecánicas/de unión del adhesivo de nanocompuesto epoxi preparado mediante el tratamiento superficial de nanorrellenos de SiO2 con glicidoxipropiltrimetoxisilano (GPTMS). Para este propósito, las nanopartículas de sílice se silanizaron mediante un sencillo método sol-gel a concentraciones de silano de 1, 5, 10 y 20X (es decir, X es la concentración estequiométrica de silano). Las nanopartículas se caracterizaron cuidadosamente mediante técnicas FTIR, TGA, XRD y XPS. Se encontró que la relación de injerto de GPTMS más alta se obtuvo a una concentración de silano de 10X. Las nanopartículas puras y silanizadas se agregaron a una resina epoxi de dos componentes y se compararon las propiedades de tracción y compresión. Se encontró que la modificación de la superficie de la nano sílice provocó una mejora en la resistencia, el módulo, la resistencia a la compresión y el módulo de compresión en un 56, 81, 200 y 66 % en comparación con el adhesivo epoxi prístino y también en un 70, 20, 17 y 21 % en comparación con el Adhesivo que contiene nano sílice puro. También provocó una mejora del 40 y 25 % en la resistencia a la extracción, una mejora del 33 y 18 % en el desplazamiento de extracción y un 130 y 50 % en la energía de adhesión en comparación con los adhesivos prístinos y sin tratar que contienen sílice, respectivamente.

El hormigón es uno de los materiales de construcción más valiosos que se encuentran dondequiera que haya una infraestructura1,2,3,4. Las barras de refuerzo, en forma de refuerzo, se utilizan para interconectar los cimientos y las columnas5,6,7. Asimismo, otra de sus aplicaciones más importantes en la cimentación es la aplicación de conejos para evitar juntas de construcción en hormigón8. Para reforzar el hormigón en las estructuras, las barras de refuerzo se conectan con alambre, de modo que el sistema de anclaje quede firmemente colocado en el hormigón9,10.

La unión entre el cemento y la barra de acero juega un papel importante en el comportamiento fisicoquímico del sistema de anclaje10,11. En general, las grietas en el concreto son generadas por tensiones de tracción, que pueden ser el resultado de sobrecarga, cambios de temperatura y contracción, y dieron como resultado conexiones deficientes, deslizamiento de las barras de refuerzo y fallas del anclaje12,13. Se han realizado muchos esfuerzos para mejorar la adherencia de las barras de refuerzo de acero en el hormigón de cemento, incluida la aplicación de materiales poliméricos en la superficie de las barras de refuerzo (p. ej., revestimientos14, resinas epoxi15, etc.) y la modificación del diseño de la mezcla de hormigón (p. ej., con nanopartículas16, fibras17, etc. ).

Generalmente, los adhesivos para hormigón se dividen en dos tipos: a base de epoxi y a base de látex/polímero18. Este tipo de materiales se utilizan para reparar el hormigón, sellar el hormigón, aumentar las propiedades fisicoquímicas del hormigón y unir el hormigón viejo con el nuevo19. Algunas de las ventajas de los adhesivos estructurales son el fortalecimiento de la estructura y el aumento de la conexión entre los materiales, el uso en ambientes húmedos, la conexión de miembros con sección transversal, la resistencia a la corrosión y la rápida y fácil aplicación20,21. Plantar barras de refuerzo o pernos es uno de los métodos más utilizados en la industria de la construcción. Esto incluye una amplia gama de conexiones estructurales y no estructurales, así como el fortalecimiento de las estructuras22,23. Desde este punto de partida, mejorar las propiedades adhesivas es la técnica más eficiente para prevenir daños estructurales mediante el refuerzo de la unión metal-hormigón24.

Hoy en día, los adhesivos a base de epoxi son de los adhesivos más populares para los sistemas de anclaje de barras de acero, debido a sus altas fuerzas de adhesión, rápida y excesiva compactación, impermeabilidad a la humedad, agua de mar, aguas residuales y materiales petrolíferos, gran resistencia a las vibraciones y esfuerzos estructurales y alta propiedades mecánicas19,25.

A partir de 1980, investigadores como Bloxham26, Van Gemert et al.27 y Swamy et al.28 realizaron estudios sobre el refuerzo del hormigón con varillas de acero utilizando adhesivos epoxi.

Muchos científicos han investigado el comportamiento mecánico y químico entre las barras adhesivas y el hormigón29,30. Se ha determinado que la barra de mayor diámetro tiene mayor falla en la conexión con el concreto, que para tener una mejor conexión y no fragilidad, la longitud de la barra debe ser quince veces el diámetro de la barra31,32.

Zhao et al.33 investigaron la unión de barras de refuerzo de acero a una estructura de hormigón utilizando adhesivo epoxi. Se informó que el adhesivo tenía una buena fuerza de unión tanto con la barra de refuerzo como con el concreto y la falla del sistema ocurrió en las interfaces del adhesivo, pero la ductilidad del sistema de anclaje disminuyó con el uso del adhesivo epoxi.

En los últimos años, los rellenos se utilizan para mejorar las propiedades físicas y mecánicas de los adhesivos34,35,36,37,38. Se ha demostrado que el tipo, el tamaño y las propiedades de los rellenos tienen un gran impacto en la fuerza de unión de las juntas adhesivas y la transferencia de tensiones entre el hormigón y las barras de refuerzo de acero39. Szymanowski et al.40 investigaron el efecto del uso de nanopartículas de óxido de titanio cristalino tetragonal (TiO2) en el adhesivo y su efecto sobre la fuerza de unión en el compuesto cementoso en capas. Los resultados mostraron que la inclusión de 0,5 % en peso de nanopartículas de TiO2 en el adhesivo aumentó sus propiedades de unión, resistencia al desgaste, resistencia a la tracción y dureza. Ismael et al.41 utilizaron nano SiO2 y AL2O3 en composites cementosos reforzados con fibras de acero. Los resultados mostraron que la adición de nanopartículas condujo a un aumento en la unión entre el acero y la matriz, especialmente con contenidos de cemento más altos. El uso de nanopartículas de Al2O3 también provocó una disminución del agrietamiento. May et al.42 utilizaron nanotubos de carbono multipared (MWCNT) para reforzar la resina epoxi diglicidil éter mediante el método sol-gel. Los resultados mostraron que la presencia de nanopartículas provoca mejores propiedades de adhesión y resistencia a la tracción (hasta 28,5 MPa) de la resina epoxi. Li et al.43 modificaron nanopartículas de sílice con polimetilhidrosiloxano (PMHS) a través del proceso sol-gel y lo utilizaron para la modificación superficial de materiales. Los resultados mostraron que los enlaces químicos interfaciales creados mejoraron la hidrofobicidad de la superficie. Se descubrió que los rellenos y los agentes de acoplamiento químico podían fortalecer la conexión entre el hormigón y las barras de refuerzo de acero. También se investigó el efecto de micro y nanopartículas de sílice en los adhesivos epoxi. Se encontró que las micropartículas de sílice y su tamaño de partícula afectan las propiedades mecánicas del adhesivo epoxi y la fuerza de unión a la barra de acero. Sin embargo, las nanopartículas de sílice provocaron una disminución de las propiedades que se atribuyó a la tendencia de las nanopartículas hidrófilas a la aglomeración en la matriz orgánica44.

Con base en la revisión de la literatura, se encontró que el uso de nanopartículas en adhesivos de anclaje ha sido estudiado en pocas investigaciones. Además, en la mayoría de los casos solo se ha investigado la fuerza de unión entre el hormigón y la barra de refuerzo y no se han evaluado los efectos sobre las propiedades mecánicas del adhesivo y su relación con la adhesión entre el hormigón y la barra de refuerzo.

Sobre esta base, las nanopartículas de sílice se seleccionaron como relleno rentable en esta investigación. Se modificó la superficie por el método sol-gel utilizando un agente de acoplamiento de silano a base de epoxi en diferentes concentraciones. El injerto de silano se evaluó mediante análisis FTIR, TGA, XRD, SEM y XPS. La sílice pirógena cruda y modificada en la superficie se aplicó a un adhesivo epoxi de dos componentes. Se evaluaron las propiedades de flexión y compresión de los adhesivos nanocompuestos puros y modificados preparados. Se utilizaron los mejores adhesivos (basados ​​en las propiedades mecánicas) para el anclaje de las barras de refuerzo de acero en el hormigón. Se utilizó el análisis FE-SEM para la caracterización de las superficies fracturadas de las muestras de adhesivo. Por último, se estudiaron los efectos de las nanopartículas puras y modificadas sobre las prestaciones de adhesión hormigón-barra.

La resina epoxi Nanya NPEL-128 (Taiwán) y Epikure F205 como agente de curado se utilizaron como aglutinante en este estudio. Se utilizaron nanopartículas de sílice pirógena con un tamaño de partícula primaria promedio de 25 a 35 nm como nanorelleno de refuerzo para adhesivos epoxi. Se usó glicidoxipropiltrimetoxisilano (GPTMS) (GLYMO, Evonic Company) para modificar la superficie de la sílice pirogénica. Como disolvente se utilizó etanol absoluto (99,98%, Merck, Alemania).

En primer lugar, la cantidad óptima de silano necesaria para modificar la superficie de las nanopartículas se calculó mediante la siguiente relación estequiométrica45,46,47,48:

donde mGPTMS y MGPTMS son la masa del GPTMS (gr) y la masa molecular del GPTMS, respectivamente. NA y nOH son los números de Avogadro y el número de grupos hidroxilo, respectivamente.

Este valor varió según la masa molecular del GPTMS, el área de superficie específica (BET) de las nanopartículas pirogénicas y los datos de TGA (consulte la Sección 1S en la información de respaldo).

El esquema 1 representa el proceso de tratamiento superficial de sílice pirogénica por GPTMS. Para ello, se añadieron 0,5 g de sílice pirógena a 70 g de etanol y se sometieron a ultrasonidos a 30 °C durante 1 hora. Posteriormente, el GPTMS (es decir, al contenido calculado por la Ec. 1) se añadió a etanol, agua y ácido acético (en una proporción en peso de 0,1:0,05) para hidrolizar el GPTMS. El pH óptimo de la solución de hidrólisis se determinó mediante análisis de potencial zeta. En este punto, la suspensión preparada de sílice pirógena en etanol se vertió en un matraz. La solución se agitó y se añadió al reactor gota a gota durante 30 min. Posteriormente, la solución se mezcló durante 4 h y se centrifugó. Los sedimentos se separaron y lavaron tres veces con acetona para eliminar las moléculas de GPTMS que no reaccionaron. Finalmente, la sílice pirógena modificada se secó en un horno durante 12 h a 90 °C para la condensación GPTMS en la superficie de las nanopartículas.

Proceso de tratamiento superficial de sílice pirógena por GPTMS.

Para mejorar la relación de injerto, las nanopartículas también se modificaron a concentraciones de silano de 5X, 10X y 20X (ver Tabla 1).

Para preparar un adhesivo epoxi prístino, se añadió el endurecedor a la parte de resina en una proporción de peso de 1:2. La mezcla se agitó suavemente para inhibir la creación de burbujas de aire.

Para preparar muestras de nanocompuestos, se añadieron nanopartículas (es decir, sílice pirogénica modificada o sin tratar) a la parte de resina (al 0,5, 1, 3 y 5 % en peso). Para este propósito, la sílice pirogénica se agregó a n-butanol y se sonicó a 28 °C y 200 W (frecuencia de 40 kHz) durante 1 h. La suspensión resultante se añadió suavemente a la resina y se mezcló lentamente a 350 rpm durante 30 min. La suspensión se aplicó suavemente a la resina y se mezcló lentamente a 450 rpm y se colocó en un horno de vacío para eliminar el solvente. Para preparar muestras de adhesivos epoxi puros y modificados (ver Tabla 2), el agente de curado se aplicó a la parte a base de resinas en una proporción de peso de 1:2 y se mezcló suavemente49, y se colocó en condiciones ambientales durante 10 h. Posteriormente, las muestras solidificadas se retiraron y se colocaron en un horno a 100 °C durante 5 h para el poscurado.

El propósito de este estudio es preparar un adhesivo epoxi para el anclaje efectivo de barras de refuerzo de acero en concreto. Para este propósito, se preparó el concreto en una relación agua-cemento (a/c) de 1:1.89 (ver Tabla 3). El hormigón preparado se vertió en los moldes cilíndricos (ver Secc. 2S en la información de apoyo). La barra de plástico (1 cm de diámetro y 10 cm de longitud) se utilizó para formar un orificio de anclaje en el hormigón sin taladrar. Los moldes llenos se mantuvieron en condiciones ambientales durante 24 h. Posteriormente, las muestras se colocaron en el agua durante 28 días para su curado. Después del curado de las muestras de hormigón, se insertó la barra de refuerzo de acero (0,8 cm de diámetro y 20 cm de largo) en el centro del orificio (con 10 cm de largo) y luego se insertó adhesivo en el espacio (es decir, 0,2 cm de espesor) entre la barra de refuerzo de acero y el muro de hormigón. Los especímenes se colocaron a temperatura ambiente durante 14 días para su curado.

Las propiedades mecánicas de los nanocompuestos y la resistencia a la extracción se determinaron utilizando una máquina SANTAM STM150 Universal. Las pruebas de tracción, flexión y compresión se realizaron a velocidades de carga de 5, 2 y 1,3 mm/min según los métodos de prueba ASTM D638, D790 y D695, respectivamente. Se ensayaron tres especímenes para evaluar cada propiedad mecánica. La prueba de extracción se realizó en modo de tensión según el método de prueba ASTM C900. La muestra de hormigón-barra de refuerzo de acero adherida se colocó en una fijación de acero, ya que la barra de refuerzo se mantuvo utilizando el agarre superior y la fijación se mantuvo constante utilizando el agarre inferior. La prueba se realizó a una velocidad de tensión de 10 mm/min. la barra de refuerzo de acero saldría gradualmente del concreto durante la carga (consulte la Sección 3S en la información de respaldo). Se ensayaron tres especímenes para evaluar la adherencia al arranque de cada muestra.

La eficiencia de injerto de sílice pirogénica cruda y modificada se determinó mediante análisis termogravimétrico (TGA) (Mettler-Toledo Co., Suiza). FTIR fue realizado por un TENSOR 27 para identificar la estructura química de las nanopartículas y GPTMS. XPS fue realizado por el sistema ESCALAB 250 (Sistema ESЄA, EE. UU.). El tamaño de partícula y la morfología de la sílice pirogénica cruda y modificada se examinaron mediante microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM) (Hitachi, Japón). La difracción de rayos X (XRD) de la sílice pirógena cruda y modificada se determinó mediante un difractómetro Bruker AXS D8 (Madison, Wisconsin).

Se utilizó el análisis térmico mecánico dinámico (DMTA) para investigar el comportamiento viscoelástico de los epoxis de nanocompuestos (Netzsch Co., Alemania). El ángulo de contacto con el agua (WCA) de la sílice pirogénica se midió usando (UI-1220LE-M-GL, IDS-Alemania).

La carga superficial de las partículas a diferentes pH se investigó mediante la evaluación del potencial Zeta. El potencial zeta más negativo indica más carga negativa en la superficie de la nanopartícula, mejor estabilidad y mejor dispersión en el solvente acuoso. Sobre esta base, se prepararon muestras con diferentes pH de 2, 5, 7 y 9 y se midió su potencial zeta (ver Fig. 1).

Potencial zeta para nano sílice en diferentes condiciones ácidas.

Los resultados indicaron que a pH 7 se logra la carga más negativa de nano sílice. Esto confirma la presencia de una serie de grupos OH en la superficie de sílice pirógena que están listos para ser silanizados. Sobre esta base, se seleccionó este pH como la mejor condición para el paso de silanización.

La Figura 2a muestra los resultados de TGA para la sílice silanizada y sin procesar. Como se muestra en la figura, todas las muestras presentan una gran pérdida de peso en la primera región, la cual estuvo relacionada con la remoción del H2O adsorbido. La pérdida de peso de las nanopartículas modificadas fue mayor que la de la nanosílice pura en esta región debido a una mayor absorción de agua durante el proceso de silanización. En la segunda región, todas las nanopartículas modificadas presentaron grandes pérdidas de peso, las cuales estuvieron relacionadas con la degradación del GPTMS injertado. La pérdida de peso de la sílice cruda en esta región correspondió a la deshidroxilación de los grupos OH. La mayor pérdida de peso en esta región se obtuvo para la sílice silanizada (es decir, muestra NS-G-10X). Sobre esta base, esta muestra fue seleccionada como la silanizada óptima para futuros procesos. La figura 2b muestra los espectros FTIR de las nanopartículas de sílice crudas y silanizadas. En el espectro de sílice en bruto, los picos de 961, 1528 y 1630 cm−1 se atribuyeron a la vibración de flexión de O–H. El pico ancho alrededor de 3450 cm−1 estaba relacionado con la vibración de estiramiento del grupo O–H. Sobre esta base, hay tres tipos diferentes de grupos hidroxilo en la superficie de las nanopartículas, incluidos los grupos hidroxilo unidos covalentemente, adsorbidos físicamente y de doble base.

( a ) Curvas TGA de sílice cruda y sílice silanizada, ( b ) espectroscopia FT-IR de GPTMS, sílice cruda y sílice silanizada.

Para las nanopartículas de sílice modificadas, los picos de vibración de flexión del grupo OH a 1630 cm-1 desaparecieron y sus picos a 3450 cm-1 se debilitaron. Esto se atribuyó al consumo de grupos OH superficiales durante la hidrólisis de GPTMS. Además, los picos en 1109, 805 y 475 cm−1 estaban relacionados con vibraciones asimétricas, simétricas y de flexión de Si–O–Si, respectivamente. Los picos a 2800–3000 cm−1 en el espectro de GPTMS estaban relacionados con las vibraciones de estiramiento de los grupos CH y CH2. Estos picos aparecieron nuevamente en las nanopartículas modificadas que confirman el injerto exitoso de moléculas GPTMS. Por el contrario, no se vieron en el espectro de las nanopartículas en bruto debido a su naturaleza inorgánica. Los picos se intensificaron en el espectro de nanopartículas modificadas a una concentración de 10X que confirma una relación de injerto de GPTMS más alta para esta muestra. Los resultados estuvieron en buena correlación con los hallazgos de TGA. Por conveniencia, las nanopartículas que se modificaron a una concentración de 10X se denominan nanosílice modificada (es decir, MNS) en lugar de NS-G-10X a partir de ahora. La Tabla 4 muestra los resultados de TGA.

Se utilizó el análisis XRD para detectar la fase cristalina de las nanopartículas crudas y modificadas (ver Fig. 3). Es evidente que la posición de los picos no se ha movido pero el pico ancho ubicado a 22° muestra que todas las nanopartículas tienen estructura amorfa. Se encontró que la modificación de la superficie de las nanopartículas no ha influido en su fase cristalina. También se calculó el tamaño de los cristales según la ecuación de Scherrer48,50,51 que fueron 17.01 y 16.97 nm para sílice cruda y silanizada. Este resultado ilustra una reducción insignificante en el tamaño de los cristales después de la modificación con GPTMS.

Caracterización de humo de sílice crudo y modificado; (a) análisis XRD y (b) XPS.

Los espectros XPS de la sílice silanizada óptima de superficie y sin procesar se muestran en la Fig. 3. Se usaron espectros de barrido estrecho de C1s, O1s y Si2p para determinar los cambios en el entorno químico de los elementos de la superficie. Los resultados confirmaron el injerto exitoso de GPTMS en la superficie de las nanopartículas debido a los picos indicadores intensificados. Además, los picos coexistentes de Si2p (102,8 eV) y Si2s (156,3 eV) en la muestra pura estaban relacionados con el grupo silanol en la estructura de sílice. Sin embargo, en la muestra modificada estos picos se intensificaron debido a la condensación de moléculas de silano que formaron una capa de silanol en la superficie de las nanopartículas. Los datos XPS se enumeran en la Tabla 5.

La figura 4 muestra una fotografía FE-SEM de sílice sin tratar y silanizada. Las nanopartículas de SiO2 puro tenían tamaños que oscilaban entre 25 y 30 nm. Se pudo observar la tendencia a la aglomeración del nano relleno puro debido al enlace hidroxilo entre los grupos OH de la superficie. Después del tratamiento superficial de la sílice con GPTMS basado en epoxi, el tamaño de partícula se redujo a 20-25 nm debido a la estabilización estérica de los silanos injertados.

Fotografía FE-SEM de; (a1, a2) sílice en bruto y (b1, b2) nanopartículas silanizadas.

La sílice cruda se agregó a la parte de resina en cuatro concentraciones diferentes. Los nanocompuestos se moldearon para preparar especímenes de prueba. Después del curado, las probetas se someten a ensayos de tracción, flexión y compresión. La Figura 5 muestra los resultados.

(a) propiedades de tracción, (b) flexión y (c) resistencia y módulo de la nano sílice pura y (d) propiedades de tracción, (e) flexión y (f) compresión de la nano sílice modificada que contenía nanocompuestos epoxi a diferentes porcentajes de nanopartículas.

Según los resultados, las muestras que contenían un 1% en peso de sílice sin tratar mostraron las propiedades de tracción, flexión y compresión más altas entre los demás nanocompuestos. Se concluyó que a mayores contenidos de carga del nano relleno puro, se produjo la aglomeración de partículas que provocó una disminución de las propiedades mecánicas. Esto confirma los resultados del análisis FE-SEM.

Las nanopartículas modificadas también se agregaron a la resina epoxi al 1% en peso. Los resultados también se muestran en la Fig. 5. Se vio que las propiedades de tracción aumentaron. Se atribuyó a la mejor dispersión del humo de sílice silanizado en la matriz epoxi debido a la estabilización estérica de las nanopartículas que se prepararon por impedimento de los grupos silano injertados47,48. El humo de sílice silanizado no mostró efectos sobre las propiedades de flexión, pero provocó un incremento considerable en las propiedades de resistencia y módulo de la muestra de epoxi. Los resultados estuvieron en buena correlación con los resultados del análisis FE-SEM y XRD.

La figura 6 muestra imágenes FE-SEM preparadas a partir de la superficie fracturada de los nanocompuestos con dos aumentos (es decir, 10 µm y 500 nm). Se observaron agregados grandes (es decir, con un tamaño de 100 nm a 2,5 µm) en la muestra sin procesar que contenía sílice (ver Fig. 7a). Esto se atribuyó a la naturaleza hidrófila del humo de sílice que provocó la agregación en la matriz epoxi. Esto indica una mala dispersión del humo de sílice hidrofílico en la matriz epoxi. Después del tratamiento superficial del humo de sílice, se observó una considerable dispersión homogénea y agregados de pequeño tamaño (de hasta 100 nm). Esto se atribuyó a la estabilidad estérica del humo de sílice que se realizó mediante GPTMS injertado. Además, las líneas tipo río aumentaron en la superficie fracturada del nanocompuesto modificado que confirmó mejores interacciones entre la matriz epoxi y las nanopartículas silanizadas37,46,48.

Fotografía FE-SEM de; (a1, a2) nanocompuestos epoxi crudos y (b1, b2) modificados.

Propiedades mecánicas de nanocompuestos; (a) Módulo de almacenamiento y (b) Tan δ.

El comportamiento dinámico-mecánico de los nanocompuestos y su relación con la química de la superficie de las nanopartículas se investigó mediante análisis DMTA. La figura 7a muestra la curva del módulo de almacenamiento en términos de temperatura. Los resultados mostraron que la silanización de nanopartículas condujo a un aumento en el módulo de almacenamiento del nanocompuesto52. Esto debe atribuirse a las interacciones interfaciales mejoradas entre las nanopartículas y la matriz epoxi. Esto limita el movimiento de las cadenas y aumenta la rigidez de la matriz. La temperatura de transición vidrio-caucho (Tg) de la muestra (derivada de la temperatura máxima de la curva tanδ) mostró un ligero incremento que confirmó una red mejorada en la matriz debido a la unión de nanopartículas a la matriz epoxi (ver Fig. 7b y Tabla 6)53.

También se observó que las nanopartículas puras causaron una disminución en el módulo de almacenamiento del polímero epoxi, lo que confirmó interacciones interfaciales débiles entre la matriz del polímero y las nanopartículas prístinas. Esto se relacionó con las débiles interacciones interfaciales entre el relleno y el polímero47,53. Sin embargo, no tuvo efecto sobre la Tg y tan δ de la muestra prístina curada. Esto se atribuyó a la alta densidad de entrecruzamiento de la resina curada y su comportamiento frágil.

Se midió el WCA de las muestras prístinas de epoxi y nanocompuestos y los resultados se muestran en la Fig. 8. Se ve claramente que la inclusión de nanosílice pura provocó un aumento en la hidrofilia de la muestra de epoxi. Por el contrario, las nanopartículas modificadas aumentaron la hidrofobicidad del nanocompuesto epoxi incluso más que el epoxi prístino. Esto se atribuyó a la presencia de grupos propilo y etilo en la estructura GPTMS que contrarrestó el efecto de los grupos epóxido hidrofílicos.

Ángulo de contacto con el agua de (a) epoxi prístino, (b) nanocompuesto de epoxi que contiene sílice sin procesar (1% en peso) y (c) nanocompuesto de epoxi que contiene nano sílice modificada (1% en peso).

La Figura 9 muestra los resultados de la prueba de extracción para la barra de refuerzo de acero anclada en especímenes de concreto con adhesivo epoxi prístino y adhesivos nanocompuestos. Los resultados indicaron que al incorporar humo de sílice silanizado a los adhesivos a base de epoxi, la resistencia a la extracción y el desplazamiento (es decir, la tenacidad) aumentaron increíblemente. Esto se correspondió con las buenas interacciones entre el humo de sílice modificado con cadenas epoxi que prepararon un adhesivo nanocompuesto con dispersión homogénea de nanopartículas. Esto hizo que las nanopartículas se difundieran en los micro/nano poros y las grietas del hormigón y aumentaran la unión mecánica entre las barras de acero y el hormigón. Esto también se relacionó con la alta tenacidad del nanocompuesto modificado que aumentó su capacidad para amortiguar las tensiones.

Propiedades de extracción de los sistemas de anclaje; (a) fuerza/desplazamiento y (b) energía de extracción.

En el caso de usar sílice pirógena en resina epoxi, no se observaron influencias en las propiedades de adhesión. Esto se relacionó con dos fenómenos diferentes que ocurrieron en la muestra que contrarrestaron los efectos. Por un lado, el humo de sílice mejoró las propiedades mecánicas del adhesivo epoxi. Por otro lado, las nanopartículas aglomeradas en la interfaz de la resina epoxi y las superficies de concreto/acero redujeron su área de contacto efectiva, lo que podría causar la creación de microfisuras y fracturas bajo tensión de extracción.

La Figura 4S en la información de respaldo muestra las curvas comparativas de carga-desplazamiento de extracción de los adhesivos. Se ve claramente que la barra de refuerzo salió completamente del agujero. El contenido de desplazamiento final más alto es inferior a 8 mm.

La figura 9b muestra la energía de adhesión/tenacidad de los adhesivos (es decir, en función del área medida bajo las curvas de carga-desplazamiento). Es obvio que las nanopartículas de sílice pura mejoraron la dureza de la capa adhesiva prístina, pero las nanopartículas modificadas la mejoraron increíblemente.

El aumento significativo en la fuerza de unión del adhesivo nanocompuesto modificado a las superficies de hormigón/barras de acero debe corresponder a su diferente mecanismo de unión. Los grupos epóxido presentes en la superficie del humo de sílice silanizado podrían reaccionar directamente con los grupos amina del agente de curado. También podrían reaccionar con los grupos OH creados por los anillos de epóxido que se abren a través de las reacciones de curado. Estos enlaces covalentes aumentan la tenacidad y la resistencia del adhesivo (ver Fig. 10a). La naturaleza hidrofóbica del adhesivo modificado prohíbe la acumulación de agua en la interfaz del concreto y el adhesivo que generalmente ocurre durante el intercambio de humedad del concreto hidrofílico y disminuye sus interacciones interfaciales54.

(a) Esquema del mecanismo de unión de nanopartículas modificadas a la resina epoxi a través del proceso de curado conjunto, (b) imágenes de la superficie de la barra de acero extraída del concreto para diferentes muestras, (c) imágenes de la superficie de la superficie del concreto separada de la barra de acero.

Sobre esta base, podría afirmarse que el adhesivo modificado podría disminuir la velocidad de corrosión de la barra de refuerzo de acero debido a la resistencia contra la difusión del agua (es decir, como agente corrosivo del acero). La figura 10b muestra imágenes de la superficie de la barra de refuerzo de acero extraída. Evidentemente, se ve que el adhesivo prístino mostró un defecto de cohesión en la fase de hormigón. Esto significa que la resistencia de la masa de hormigón es menor que la fuerza de adhesión del sistema hormigón-adhesivo-barra de refuerzo55.

Por el contrario, al usar nano sílice pura en el adhesivo epoxi, el defecto de cohesión se transfirió a la capa adhesiva, lo que indica una menor resistencia del adhesivo. Las nanopartículas modificadas mejoraron las interacciones interfaciales adhesivas con las barras de refuerzo de acero y el hormigón. También reforzó la capa de hormigón adyacente (es decir, debido a la difusión en la grieta superficial y los poros del hormigón que aumentaron el volumen del hormigón adherido a la barra de refuerzo de acero después de la prueba de extracción).

La Figura 10c muestra algunos parches adhesivos prístinos en la superficie del concreto. Esto significa que tenía mejor adherencia a la superficie de acero que el hormigón. Por el contrario, en el caso de usar adhesivo que contiene humo de sílice, se observaron muchos más parches de adhesivo en la superficie del hormigón, lo que significa una fractura de cohesión de la capa de adhesivo debido a su debilidad. En el caso de utilizar adhesivo modificado, aparecieron surcos masivos en la superficie de hormigón que se crearon debido a la mejora de la adhesión interfacial y la fractura de cohesión en la masa de hormigón en lugar de la capa de adhesivo.

En este trabajo se prepararon adhesivos nano SiO2-epoxi para el anclaje de barras de refuerzo de acero en hormigón. En primer lugar, las nanopartículas se modificaron en la superficie utilizando un silano a base de epoxi para mejorar sus interacciones interfaciales con el aglutinante epoxi. La prueba de adherencia por extracción se realizó para evaluar el desempeño de los adhesivos. En base a los resultados se obtuvo las siguientes conclusiones:

Se encontró que el mayor contenido de injerto de silano se logró a una concentración de silano de 10X (es decir, 10 veces la concentración estequiométrica) y la modificación de la superficie no tuvo efecto sobre la fase cristalina de las nanopartículas, pero disminuyó su tamaño.

La modificación de la superficie de la nanosílice provocó un aumento en el WCA de la película de epoxi de aproximadamente un 19 y un 67 % en comparación con el epoxi prístino y los adhesivos de epoxi que contienen nanopartículas puras, respectivamente. También cambió la naturaleza del adhesivo nanocompuesto modificado de hidrofílico a hidrofóbico.

La adición de nanosílice puro (1% en peso) a la matriz epoxi provocó un incremento del 56, 81, 200 y 66% en la resistencia a la tracción, el módulo de tracción, la resistencia a la compresión y el módulo de compresión mejoraron en un 56, 81, 200 y 66%, respectivamente.

La incorporación del 1% en peso de nanosílice modificado al adhesivo epoxi provocó un incremento del 70, 20, 17 y 21% en la resistencia a la tracción, el módulo de tracción, la resistencia a la compresión y el módulo de compresión en comparación con el adhesivo epoxi relleno con nanosílice puro.

La nanosílice modificada provocó un incremento del 16 y el 43 % en el módulo de almacenamiento del nanocompuesto epoxi en comparación con los adhesivos que contienen epoxi prístina y nanosílice pura, respectivamente. También aumentó 6 y 10% la función de pérdida (tanδ), respectivamente.

El uso de nanosílice modificada en la superficie en la matriz epoxi provocó una mejora de entre un 40 y un 25 % en la resistencia a la extracción y un aumento del 33 y un 18 % en el desplazamiento de la extracción en comparación con el epoxi prístino y los adhesivos que contienen nanosílice pura. La energía de adhesión se mejoró hasta un 50 y un 130 % en comparación con el nanocompuesto epoxi puro y los adhesivos epoxi prístinos.

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Descargar referencias

Laboratorio de Investigación de Compuestos y Polímeros de Construcción, Escuela de Ingeniería Química, Petróleo y Gas, Universidad de Ciencia y Tecnología de Irán (IUST), Teherán, Irán

Reza Ghamarpoor, Masoud Jamshidi y Majid Mohammadpour

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RG: Conceptualización, metodología, investigación, curación de datos, redacción—borrador original. MJ: Conceptualización, metodología, validación, recursos, curación de datos. MM: Metodología, investigación.

Correspondencia a Masoud Jamshidi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Ghamarpoor, R., Jamshidi, M. & Mohammadpour, M. Logro de desempeños mecánicos/de unión sobresalientes mediante nanocompuestos epoxi como adhesivo para barras de refuerzo de concreto y acero mediante la modificación con silano de nano SiO2. Informe científico 13, 9157 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36462-0

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Recibido: 28 de marzo de 2023

Aceptado: 04 junio 2023

Publicado: 06 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36462-0

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