Atomistic simulation studies of the cement paste components

El cemento y sus derivados, como los mortero o el hormigon, son generalmente considerados materiales de bajo nivel tecnologico. A pesar de ser el material manufacturado mas empleado en el mundo, otros como los plasticos, los metales, el algodon, la lana, la madera e incluso las piedras, se valoran mas en el dia a dia. De hecho, el cemento es comunmente considerado como una pasta gris, con la unica caracteristica de endurecerse cuando se seca, y que se empleada para construir edificios. Probablemente, el hecho de que sea barato, disponible, comun y haya sido empleado satisfactoriamente durante siglos, contribuye a su percepcion como material de bajo perfil tecnologico. Sin embargo, esa vision se aleja de la realidad. La pasta de cemento es un compuesto complejo y heterogeneo, con diferentes caracteristicas a diferentes escalas de tamano. El mecanismo por el cual el clinker al entrar en contacto con el agua se convierte en una pasta endurecida incluye cientos de reacciones quimicas y procesos fisicos. El componente principal de la pasta de cemento, el gel C-S-H, es una fase amorfa con una determinada porosidad intrinseca, y su nanoestructura aun se desconoce. Curiosamente, el gel C-S-H presenta claras similitudes con otros sistemas de interes tecnologico. Por ejemplo, la estructura del gel es habitualmente descrita en terminos de minerales naturales tobermorita y jennita. Estos minerales presentan una estructura laminar similar al de las arcillas montmorillonita-esmectita, que son utilizadas con objetivos cataliticos, como parte de los nano- y bio-composites, o como absorbentes de residuos contaminantes. La morfologia del gel C-S-H en la microescala se parece tambien a la de la hidroxiapatita, que es el principal componente de los huesos. Tal semejanza proviene de su composicion analoga: silicato-calcico-hidratado (C-S-H) en la matriz de cemento, y fosfato-calcico-hidratado (C-P-H) en hidroxiapatita. De hecho, tanto el gel C-S-H como la hidroxiapatita sufren un proceso de descalcificacion, conocida como lixiviacion de calcio en el cemento y osteoporosis en los huesos. Pero hay analogias adicionales con otros sistemas biologicos. La posicion y el papel del agua en el gel C-S-H y en ciertas proteinas cristalinas son similares. Las moleculas de agua pueden estar en diferentes posiciones y asociadas con fuerzas diferentes, actuando como una parte estructural o como una solucion en los poros. Estos ejemplos ilustran porque el interes de la estructura y las propiedades del gel C-S-H son comparables a los de otros materiales. La investigacion en cemento incluye muchos aspectos diferentes, desde la reduccion de los gases de efecto invernadero emitidos durante el proceso de fabricacion, a la investigacion de la nanoestructura del material, incluyendo el desarrollo de nuevos cementos que utilizan desechos como materias primas, o la modificacion y mejora de las propiedades del cemento Portland ordinario. Debido a su naturaleza heterogenea, la pasta de cemento es un material multiescalar. El cemento presenta diferentes rasgos y caracteristicas a escalas nano-, micro- y macro-, y su comportamiento en dichas escalas dista de ser el mismo, Ademas, la investigacion del cemento es un campo multidisciplinar en el que estan implicados ingenieros, quimicos, fisicos y geologos. Ese ambiente cooperativo, asi como la naturaleza de multiescalar de los problemas a estudiar, implican el uso de numerosas tecnicas experimentales en la investigacion del material. La evolucion de las tecnicas experimentales en los ultimos anos nos permite estudiar la pasta de cemento a escalas cada vez mas pequenas, con la apertura al cemento de un campo como la nanotecnologia. En nanotecnologia, los metodos de simulacion atomistica han demostrado ser un instrumento numerico indispensable. Estos metodos nos permiten estudiar la nanoescala de un material o molecula con gran detalle. Sin embargo, los metodos de simulacion atomistica apenas se han aplicado en la investigacion de aspectos relacionados con el cemento. La misma complejidad que dificulta las investigaciones experimentales de los materiales en base cemento en la nanoescala, como su naturaleza amorfa y heterogenea, es un problema en la simulacion atomistica, ya que la posicion exacta de los atomos es informacion necesaria para los calculos. No obstante este problema ha sido parcialmente solucionado por el incremento de la capacidad computacional y el desarrollo de nuevas tecnicas y metodos de calculo. En esta Tesis, se han empleado metodos de simulacion atomisticos para estudiar diversos aspectos de los componentes de pasta de cemento, como son sus propiedades elasticas, reactividad, estructura y formacion, prestando una atencion especial al gel C-S-H. Contenido de la Tesis El Capitulo 1 es una introduccion a la quimica del cemento, donde se dan las bases necesarias para seguir los resultados y discusiones presentados en esta Tesis. Incluye una descripcion de las fases del clinker, los procesos de hidratacion, la estructura de la pasta de cemento y los productos de hidratacion. Se ha prestado una atencion especial al gel C-S-H, ya que es el pricipal componente de la pasta de cemento. En el Capitulo 2 se incluye una breve descripcion de los metodos de simulacion atomistica. Durante la Tesis, se emplearon varios niveles de teoria en funcion de sus caracteristicas para resolver el problema a estudiar: ab-initio, Mecanica Molecular y Dinamica Molecular. En este capitulo tambien se incluye una discusion sobre sus ventajas y desventajas. Los mecanismos de formacion de las nanoparticulas del gel C-S-H son estudiados en el Capitulo 3 mediante metodos ab-initio. La estructura atomica de estas particulas no ha sido determinada. Sin embargo, se cree que juegan un papel clave en las propiedades de la pasta de cemento y que controlan la cohesion del material. En este capitulo se propone un precursor del gel C-S-H a partir de los modelos tobermorita y jennita. Posteriormente, se analizan los mcanismos de agregacion de dichos precursores para formar particulas mayores en funcion de la cantidad de calcio presente. El Capitulo 4 esta dedicado a la incorporacion del aluminio en las cadenas de silicatos dentro del gel C-S-H. El aluminio es el ion mas importante que se incorpora en la estructura del gel C-S-H. Se sabe que esta incoporacion afecta a la estructura de las cadenas de silicato, y se espera que modifique la solubilidad, la degradacion y las propiedades elasticas del gel C-S-H. Se ha empleado una combinacion de metodos ab-initio y de Dinamica Molecular para estudiar la posicion del aluminio dentro de las cadenas y el efecto de la sustitucion sobre su estructura. El Capitulo 5 se centra en las propiedades elasticas de los componentes mas importante de la pasta de cemento. El comportamiento mecanico es la caracteristica mas relevante de los materiales en base cemento debido a su empleo en la construccion. En este capitulo, se han calculado las propiedades elasticas para las fases del clinker y los productos de hidratacion mediante metodos de Mecanica Molecular. Se ha estudiado tambien la relacion entre las propiedades elasticas y la estructura de la cadena de silicatos, la porosidad, la densidad y el contenido del agua del gel C-S-H. El capitulo 6 se ocupa de la estructura, las propiedades elasticas y la reactividad del aluminato tricalcico. La alta reactividad del aluminato tricalcico con agua es de gran interes tecnologico, ya que es responsable del flash-setting. El flash-setting es un proceso no deseado, ya que disminuye las propiedades mecanicas de la pasta de cemento. Para retardar este proceso se anaden aditivos como el yeso al clinker. Mediante metodos ab-initio, se ha investigado la estructura electronica del aluminato tricalcico, y se han discutido las diferencias en la reactividad en presencia de iones sufato del yeso.