Institut de Promoció Ceràmica
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La Adherencia Química

Expresábamos al inicio de esta introducción que la adherencia mecánica podía justificarse por el acoplamiento mecánico entre adherentes y adhesivo, así como por la cinética de penetración del adhesivo en los poros y capilares de los adherentes. La cohesión del sistema en conglomerados de cemento se alcanza tras un proceso de maduración que se materializa con la formación de silicato cálcico hidratado entre otros compuestos.

Sin embargo, podemos tener otro tipo de adherencia que obedece a una o varias de las teorías desarrolladas para justificarla y caracterizarla. Convenimos en llamarla adherencia química por el hecho que, en la mayoría de los casos, interviene la Química Orgánica en la consecución de la adhesión, por formación de uniones covalentes en la interfaz adhesivo/adherente o interacciones ácido-base; también por fuerzas electrostáticas que siguen la ley de Coulomb y, en menor medida, la ley de fuerza-distancia de van der Waals, para el caso de materiales de electronegatividad sustancialmente diferente.

De hecho, los adhesivos más interesantes respecto a sus prestaciones están basados en materiales orgánicos, principalmente poliméricos o que se vuelven poliméricos durante la formación de la unión adhesiva. Las características físico/químicas de los adhesivos son función de las propias de los compuestos poliméricos, en su respuesta a variaciones térmicas o aplicación de fuerzas, jugando un importante papel la viscoelasticidad lineal en función de la temperatura y el tiempo. En consecuencia, los adhesivos basados en materiales poliméricos se clasifican en función de la respuesta a un tratamiento térmico [termoplásticos si vuelven a su estado químico original tras enfriamiento y termoestables cuando no sólo no vuelven a su estado original sino que se degradan químicamente tras tratamiento térmico continuado] o en función de la respuesta ante la aplicación de una fuerza o según la curva de densidad de energía de deformación [rígidos o frágiles cuando presentan un módulo de Young elevado pero baja densidad de energía de deformación en la rotura; elastoméricos cuando presentan un bajo módulo de Young y una energía de deformación moderadamente alta, aunque elevada deformabilidad antes de la rotura; y correosos con una rigidez media/alta, deformación antes de la rotura intermedia entre los dos anteriores, y una elevada densidad de energía de deformación].

El desarrollo de la tecnología de los adhesivos poliméricos ha permitido cubrir otros requisitos relacionados con su aplicación: viscosidad en fresco o incluso comportamiento tixotrópico, capacidad humectante o mojabilidad, anclaje y penetración en la microrrugosidad superficial de los adherentes, tiempo de aplicación, etc. Pero, sobre todo, se ha progresado en el concepto básico que rige la adherencia como capacidad de absorber energía antes de la rotura de la unión adhesiva, avanzando en la característica de deformabilidad a temperatura ambiente, o mejor debiéramos decir en el intervalo de temperaturas comprendido entre la de transición del vidrio y la de fusión.

Aunque algunos tipos de adhesivos se han adaptado para su aplicación en el sector de la construcción (éste es el caso de los estructurales acrílicos, epoxi o uretanos, y ciertos elastoméricos), merece especial atención el desarrollo de hormigones y morteros modificados con polímeros a partir de las patentes de L. Cresson (Reino Unido, 1923) y V. Lefebure (Reino Unido, 1924), siendo esta última la primera aportación al concepto de mortero modificado con látex natural.

flecha 1920-1930:
Desarrollo de hormigones y morteros modificados con látex natural
1930-1940:
Desarrollo de hormigones y morteros modificados con resinas sintéticas de látex y, entre ellas, el acetato de polivinilo
1940-1960:
Desarrollo de los sistemas modificados con polímeros y primeras aplicaciones en el sector de la construcción
1960-1980:
Introducción de nuevos sistemas (estireno-butadieno, éteres poliacrílicos, cloruros de vinilo y vinilideno, etc.) y difusión de aplicaciones. Este espectacular desarrollo se refleja en bibliografía, congresos y primeras normas sobre caracterización de materiales.
Se desarrollan los materiales en base a las resinas epoxi y uretano.
Desde 1960 se desarrollan los polímeros solubles en agua, en base a la metilcelulosa, llegando a la hidroxietilcelulosa y al alcohol de polivinilo. Todos ellos como retenedores de agua y cuya primera aplicación fue en morteros destinados a la colocación de baldosas cerámicas.
1980-2000:
Los hormigones y morteros modificados con polímeros se convierten en el material dominante del sector de la construcción del 1er Mundo

 
Dado que en información técnica de calidad suministrada por los fabricantes de adhesivos suele hacerse mención a los tipos de polímeros utilizados, aportamos más información.

Sirva todo lo anterior como información complementaria a lo que realmente le interesa conocer a un profesional de la colocación, que no es otra cosa que la mayoritaria incorporación de los adhesivos a la colocación de las baldosas. El éxito en la difusión de estos materiales de agarre se basa antes en la comodidad de manipulación y utilización que en las características técnicas aportadas. Ha sido un proceso lento de implantación, donde la variable del coste económico de estos materiales se ha impuesto sobre otras consideraciones. Con la aprobación de la norma europea EN 12004 entramos en una fase de regularización del mercado de los adhesivos y ahora ya podemos hablar con propiedad de las características técnicas de estos materiales, que el fabricante debe cumplir, y de los criterios de selección en función de su aplicación.

Si bien los primeros desarrollos se centran en la optimización de la durabilidad de hormigones, aprovechando el efecto sellante de la película o membrana polimérica (incremento de la impermeabilidad al agua y a los iones cloruro, mayor resistencia a la oxidación y carbonatación, a ciclos de hielo/deshielo, etc.), desde la década de 1960 se investiga en la benéfica contribución de las resinas poliméricas a las características en fresco y finales de los morteros de cemento. Esta investigación parte de las propiedades derivadas del mecanismo de formación de la comatriz cemento hidratado/polímero, dando como resultado una estructura monolítica, donde la fase polimérica cohesiona los componentes del mortero hidratado y participa en la unión con los adherentes.

Con la incorporación de resinas poliméricas a un mortero destinado a la colocación de recubrimientos rígidos modulares se da un salto cualitativo esencial en la mejora de las propiedades en fresco y finales. En adelante, hablaremos de adhesivos cementosos para nombrar unos materiales que se caracterizan por tener un comportamiento en fresco que:
  • Permite asegurar la adherencia con grosores mínimos del adhesivo, desde 1 mm, dado su poder de retención de agua.
  • Optimiza la trabajabilidad y mojabilidad (capacidad humectante), al actuar las partículas poliméricas como rodamientos, y por su capacidad redispersante y oclusora de aire.
  • Consiente un comportamiento reológico tixotrópico en la colocación de las baldosas; es decir, un adhesivo fluido cuando ejercemos una fuerza de cizalladura y que se vuelve viscoso cuando cesa esa fuerza. Característica que favorece la estabilidad del adherente sobre el adhesivo antes de la maduración, especialmente ante el descuelgue en superficies verticales.
  • Acota los tiempos de utilización, aplicación y maduración, asegurando la adherencia en determinadas condiciones ambientales de humedad y temperatura.

Microfotografía del puente de unión mediante membrana polimérica a una superficie lisa no porosa
Puentes de unión y anclaje de la resina polimérica en la interfaz adhesivo cementoso/baldosa de gres porcelánico.
WACKER POLYMER SYSTEMS
Pero es en las características finales tras la maduración donde se superan las propiedades de los morteros tradicionales. En primer lugar la adherencia, por la mejor unión entre el cemento hidratado y los agregados, pero también por el efecto de puenteado que ejerce la membrana polimérica ante la propagación de microfisuras, consecuencia de fuerzas aplicadas sobre la unión adhesiva. Además, en función del tipo de resinas utilizadas y la proporción polímero/cemento, obtenemos:
  • Menores contracciones de secado y maduración, junto a una mejor hidratación del cemento.
  • Unión adhesiva de menor porosidad, con reducción también del tamaño de los poros, con repercusión directa sobre la impermeabilidad y resistencia a ciclos de hielo/deshielo, así como otras características asociadas a la durabilidad de esa unión.
  • Un buen anclaje sobre superficies lisas e inabsorbentes.
  • Mayor resistencia mecánica a la tracción, flexión, impacto y abrasión, como consecuencia de la cohesión alcanzada en la comatriz polímero/cemento hidratado. Este incremento de la resistencia mecánica es función de la naturaleza de los componentes del adhesivo, de los factores de mezcla y del proceso de maduración. Los valores obtenidos son también función del método de ensayo adoptado.
  • Capacidad deformable en función del comportamiento viscoelástico de las resinas poliméricas incorporadas.
  • Mantenimiento de la adherencia en condiciones de alta temperatura (hasta 150-170ºC).
El mecanismo de formación de la comatriz polímero/cemento hidratado puede resumirse en tres fases que explican las propiedades en fresco y tras maduración de los adhesivos cementosos:

En una primera fase, la resina polimérica se dispersa uniformemente en la pasta de cemento y arena, iniciándose el proceso de hidratación a la vez que las partículas de polímero se depositan alrededor del cemento no hidratado. A su vez, el agua de mezcla se satura de hidróxido cálcico que reacciona con la sílice de la arena formando silicato cálcico. La presencia de cristales de hidróxido cálcico en la superficie de las partículas del árido junto con la resina tiene su efecto sobre las propiedades finales del adhesivo.

En una segunda fase, el avance de la hidratación provoca la ocupación progresiva de los poros por parte de la resina, que inicia un proceso de floculación alrededor del silicato cálcico hidratado y de las partículas de árido. La concordancia entre el tamaño de los poros formados en la pasta de cemento durante la hidratación y el tamaño de las partículas de polímero explica ese posicionamiento. Al mismo tiempo tienen lugar reacciones químicas entre las resinas poliméricas, los iones Ca2+ y los silicatos e hidróxido cálcico formados en la superficie del árido, responsables de la unión entre los hidratos de cemento y el árido. El único punto débil de esta unión es la presencia de aire ocluso, favorecida por la presencia de emulsionantes y estabilizadores en la composición de las resinas y que, en parte, se controla con la inclusión de agentes antiespumantes.

En una tercera y última fase, una vez consumida el agua en el proceso de hidratación, el polímero endurecido envuelve al cemento hidratado y el árido en forma de membrana continua, creando una estructura monolítica responsable de las propiedades finales.

Secuencia esquemática de la generación de la membrana polimérica en un adhesivo cementoso, durante su endurecimiento
Esquemas del proceso de maduración de un mortero modificado con resinas poliméricas
FUENTE: Handbook of polymer-modified concrete and mortars. YOSHIHIKO OHAMA.
ISBN 0-8155-1385-5

No ha sido tarea fácil para la industria de los adhesivos conjugar y, en muchos casos, optimizar las características en fresco y tras maduración de los adhesivos cementosos. Habida cuenta del progresivo uso de este tipo de adhesivos en sustitución de la colocación tradicional con mortero, no podemos cerrar esta introducción sin mencionar algunas variables que rigen la composición de estos materiales según la bibliografía disponible, en los cuatro apartados fundamentales: aglomerante, árido, retenedores de agua y resinas.

El resto de la oferta comercial de adhesivos para la colocación en capa delgada de recubrimientos rígidos modulares, sin el concurso del cemento como aglomerante y consecuente adherencia 100% química, proceden de los campos especializados de los adhesivos estructurales (en base mayoritaria al epoxi y el uretano, ambos con temperatura de maduración en torno a los 25 ºC) y de los adhesivos elastoméricos (adhesivos RBA, en base al caucho natural, caucho de butilo, neopreno, etc.).

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