1. Introducción
La
fotoluminiscencia ha emergido como una tecnología innovadora con aplicaciones prometedoras
en la construcción, particularmente en la mejora de pavimentos y estructuras de
concreto. Los pigmentos fotoluminiscentes, capaces de almacenar y emitir luz,
no solo ofrecen beneficios estéticos y funcionales, sino que también pueden
influir positivamente en las propiedades físico-mecánicas del concreto. En
particular, los mejores pigmentos fotoluminiscentes se destacan por su
capacidad para proporcionar emisiones de larga duración, lo que resulta en
superficies que brillan de manera continua durante períodos prolongados. Estos
pigmentos no solo enriquecen la visibilidad y seguridad de las infraestructuras
en condiciones de baja luminosidad, sino que también pueden contribuir a la
resistencia y durabilidad del material concreto.
Este estudio se centra
en identificar los pigmentos fotoluminiscentes más efectivos que, además de sus
características lumínicas prolongadas, mejoran las propiedades físico-mecánicas
del concreto. Se evaluarán diversos pigmentos en términos de su capacidad de
emisión prolongada y su impacto en la resistencia a la compresión, durabilidad,
y otras propiedades mecánicas del concreto. La integración de estos pigmentos
tiene el potencial de optimizar tanto el rendimiento funcional como la estética
de las superficies de concreto, promoviendo un avance significativo en las
técnicas de construcción modernas.
2. Fundamento teórico
2.1. Fotoluminiscencia
La fotoluminiscencia es la propiedad que tienen ciertos elementos de
emitir radiación luminosa (fotones) cuando se los somete a una estimulación
externa.
Cuando las sustancias fotoluminiscentes se exponen a la radiación
ultravioleta, emiten luz visible debido a simples fenómenos de excitación
atómica. Excitados por la radiación ultravioleta, almacenan energía y, en
ausencia de luz, la liberan durante un largo período de tiempo a través de la
luz visible hasta que los átomos vuelven a su estado original.
2.2. Pigmentos Fotoluminiscentes
Los pigmentos fotoluminiscentes son aquellos que engloban de manera
general todo tipo de pigmentos que emiten luz gracias a una excitación
luminosa, se cargan exponiéndolos a una fuente luminosa como luz solar,
eléctrica o UV y se restituyen lentamente brillando en la oscuridad hasta
acabar su energía almacenada.
Los pigmentos
fotoluminiscentes que destacan por sus características lumínicas prolongadas y
que además mejoran las propiedades físico-mecánicas del concreto son de interés
creciente en la industria de la construcción. Estos pigmentos no solo
proporcionan una luminiscencia duradera, sino que también pueden influir
positivamente en el rendimiento del concreto. Los pigmentos más efectivos son a
Base de: Aluminato de Estroncio, Silicato de Zinc, Fosfato de Zinc y
Fluorescencia de Calcio.
a.
Aluminato
de Estroncio (SrAl₂O₄)
Aunque el
aluminato de estroncio es principalmente conocido por sus propiedades de
luminiscencia y no se utiliza comúnmente como aditivo en concreto, su inclusión
en estudios recientes sugiere potenciales aplicaciones. El aluminato de
estroncio, en su forma básica, podría tener efectos beneficiosos en el concreto
al mejorar la durabilidad y resistencia a condiciones extremas, gracias a sus
propiedades químicas estables y resistencia a la corrosión. Investigaciones
preliminares indican que pigmentos luminescentes como el SrAl₂O₄ podrían
contribuir indirectamente a la resistencia del concreto al ofrecer propiedades
de señalización y detección en estructuras críticas [1].
b.
Silicato de
Zinc (Zn₂SiO₄)
El silicato de
zinc es utilizado en concreto principalmente por su capacidad para mejorar la
resistencia a la corrosión del acero de refuerzo. Este pigmento forma una capa
protectora sobre las superficies metálicas en el concreto, reduciendo la
oxidación y el deterioro del refuerzo. Además, su alta resistencia a ambientes
agresivos y su capacidad para actuar como un inhibidor de corrosión lo hacen
valioso en la protección de estructuras de concreto expuestas a condiciones
extremas como ambientes marinos o industriales. El uso de silicato de zinc en
concreto ayuda a prolongar la vida útil de las estructuras al proteger el
refuerzo interno [2].
c.
Fosfato de
Zinc (Zn₃(PO₄)₂)
El fosfato de zinc
se utiliza en concreto principalmente como un aditivo para mejorar la
resistencia a la corrosión de las armaduras metálicas. Al igual que el silicato
de zinc, el fosfato de zinc actúa formando una capa protectora sobre el acero
de refuerzo, inhibiendo la corrosión y mejorando la durabilidad del concreto.
Este pigmento es efectivo en la protección de estructuras expuestas a ambientes
corrosivos, como en la industria química o en ambientes marinos. Su uso puede
reducir significativamente la necesidad de reparaciones y mantenimiento en
estructuras de concreto, aumentando así su vida útil y fiabilidad [3].
d.
Fluorescencia de Calcio (CaWO₄)
La fluorescencia
de calcio, aunque más conocida por su uso en aplicaciones fluorescentes y de
señalización, tiene aplicaciones emergentes en el concreto para la detección de
fisuras y fallos estructurales. La inclusión de wolframato de calcio en el
concreto podría permitir la identificación de problemas a través de la
fluorescencia bajo luz UV, facilitando el mantenimiento predictivo y la
evaluación de la integridad estructural. Este uso indirecto mejora la
durabilidad del concreto al permitir intervenciones tempranas antes de que las
fisuras o daños se conviertan en problemas graves [4].
2.3. Intensidad de Luminiscencia
La intensidad de luminiscencia se refiere a la cantidad de luz visible
que un material emite cuando ha sido excitado por una fuente de energía
luminosa, como luz ultravioleta o visible. Esta intensidad se mide en términos
de luminosidad, a menudo en unidades de candelas por metro cuadrado (cd/m²) o
milicandelas por metro cuadrado (mcd/m²). En términos prácticos, una mayor
intensidad de luminiscencia significa que el material brillará más intensamente
en la oscuridad o en condiciones de baja luminosidad. Esta propiedad es crucial
para aplicaciones donde la visibilidad prolongada es necesaria, como en
señalización nocturna y pavimentos fotoluminiscentes [5].
2.4. Resistencia a la Degradación
La resistencia a la degradación se refiere a la capacidad de un material
para mantener sus propiedades físicas y mecánicas originales cuando se expone a
condiciones ambientales adversas, como humedad, luz ultravioleta, temperaturas
extremas y agentes químicos. En el contexto de los pigmentos fotoluminiscentes
y materiales de construcción, esta propiedad es crucial para garantizar la
durabilidad y la estabilidad a largo plazo del material. Una alta resistencia a
la degradación implica que el material no sufre alteraciones significativas que
puedan afectar su rendimiento o apariencia con el tiempo [6].
2.5. Capacidad de Absorción de Energía
La capacidad de absorción de energía se refiere a la habilidad de un
material para captar y almacenar energía luminosa (o de otro tipo) cuando está
expuesto a una fuente de energía. En el contexto de los pigmentos
fotoluminiscentes, esta capacidad determina cuánto de la energía luminosa que
recibe el pigmento se convierte en luz visible durante la fase de emisión. Una
alta capacidad de absorción de energía implica que el pigmento puede acumular
más energía y, por lo tanto, emitir luz durante un período más prolongado [7].
2.6. Resistencia a la Compresión
La resistencia a la compresión en el concreto es una propiedad
fundamental que indica la capacidad del concreto para resistir cargas o fuerzas
de compresión, es decir, fuerzas que tienden a aplastar o comprimir el
material. Se mide mediante ensayos de laboratorio y se expresa en unidades de
presión, generalmente en megapascales (MPa) o libras por pulgada cuadrada
(psi). Además, es esencial en la industria de la construcción, ya que determina
la capacidad del concreto para soportar cargas verticales, como las que
experimentan los pilares, columnas, losas y cimientos en un edificio o una
estructura. Una resistencia a la compresión adecuada es crucial para garantizar
la seguridad y la durabilidad de una estructura, para medirla se realiza un
ensayo de compresión en muestras cilíndricas. Durante el ensayo, se somete la
muestra a una carga gradual y constante hasta que se produce la falla o ruptura
por compresión. La fuerza máxima que la muestra puede soportar antes de
romperse se registra como la resistencia a la compresión del concreto.
3. Metodología
El método que se
empleó en esta investigación fue descriptivo, con enfoque comparativo. Se
realizó una revisión de literatura académica y técnica relevante, incluyendo
artículos de revistas especializadas, estudios de caso, y libros sobre
fotoluminiscencia y materiales de construcción. Se seleccionó Criterios de
Comparación: tiempo durante el cual el pigmento emite luz después de la
exposición, nivel de brillo o luminosidad proporcionado por el pigmento, gama
de colores que el pigmento puede emitir, capacidad de Absorción de Energía,
resistencia a la degradación e impacto en propiedades del Concreto. Se realizó
un análisis comparativo de cada tipo de pigmento haciendo uso de tablas. Se
evaluaron los resultados de cómo
cada pigmento cumple con los criterios de comparación establecidos, llegando a
las conclusiones.
4. Presentación de resultados
En la figura 1 se
muestran y comparan los pigmentos más efectivos en cuanto a características
como la duración de emisión, intensidad de luminiscencia, colores disponibles,
capacidad de absorción de energía, resistencia a la degradación, impacto en
propiedades del concreto y aplicaciones comunes.
Figura
1.
Comparación de
Pigmentos Fotoluminiscentes
Fuente: Datos obtenidos de [8], [9],
[10] y [11]
4. 1. Pigmentos a
Base de Aluminato de Estroncio
Características
Lumínicas: Los pigmentos de aluminato de estroncio son conocidos por su
capacidad de emitir luz durante largos períodos, a menudo hasta 12 horas o más,
después de la exposición a una fuente de luz.
Propiedades
Físico-Mecánicas:
Durabilidad: Los
aluminatos de estroncio son altamente estables y resistentes a la degradación,
lo que ayuda a mantener la integridad del concreto a lo largo del tiempo.
Resistencia a la
Compresión: Estos pigmentos tienden a mejorar la cohesión y la resistencia a la
compresión del concreto, contribuyendo a una mayor durabilidad estructural.
4. 2. Pigmentos de
Silicato de Zinc
Características
Lumínicas: Los pigmentos de silicato de zinc ofrecen una emisión prolongada de
luz, especialmente en tonos verde y azul, con duraciones que pueden superar las
10 horas.
Propiedades
Físico-Mecánicas:
Mejora de la
Resistencia al Desgaste: Su integración en el concreto puede mejorar la
resistencia al desgaste superficial, lo que es beneficioso para pavimentos y
áreas de alto tránsito.
Estabilidad
Química: El silicato de zinc tiene una buena estabilidad química, lo que ayuda
a preservar la calidad del concreto y a prevenir reacciones adversas con otros
componentes.
4. 3. Pigmentos de
Fosfato de Zinc
Características
Lumínicas: Los pigmentos basados en fosfato de zinc son efectivos en
proporcionar una luminiscencia duradera, especialmente en colores azul y verde,
con tiempos de emisión que pueden alcanzar hasta 15 horas.
Propiedades
Físico-Mecánicas:
Resistencia a la
Humedad: Estos pigmentos tienen una excelente resistencia a la humedad, lo que
contribuye a la estabilidad del concreto en entornos húmedos.
Mejora de la
Resiliencia: El fosfato de zinc puede mejorar la resiliencia del concreto,
ayudando a resistir impactos y cargas pesadas.
4. 4. Pigmentos de
Fluorescencia de Calcio
Características
Lumínicas: Los pigmentos de fluorescencia a base de calcio tienen la capacidad
de emitir luz de manera prolongada con una intensidad significativa, a menudo
durante más de 8 horas.
Propiedades
Físico-Mecánicas:
Refuerzo de la
Estructura: Estos pigmentos pueden mejorar la cohesión interna del concreto, lo
que refuerza la estructura y aumenta la resistencia a la compresión.
Protección contra
Agentes Ambientales: Los pigmentos de calcio también ofrecen una mayor
resistencia a agentes ambientales como los ácidos y sales, contribuyendo a la
longevidad del material.
5. Discusión
Duración de
Emisión: Aluminato de Estroncio y Fosfato de Zinc ofrecen una duración
prolongada de emisión, siendo el aluminato de estroncio uno de los más
duraderos [8]. El Silicato de Zinc y Fluorescencia de Calcio tienen tiempos de
emisión más cortos en comparación, con el silicato de zinc ofreciendo una
duración moderada.
Intensidad de Luminiscencia: Aluminato
de Estroncio generalmente proporciona la mayor intensidad luminosa, seguido por
Fosfato de Zinc [9]. El Silicato de Zinc y Fluorescencia de Calcio tienden a
ser menos intensos, aunque aún ofrecen una visibilidad significativa.
Colores Disponibles: Aluminato de
Estroncio y Fosfato de Zinc ofrecen una gama más amplia de colores, incluyendo
verde y azul. El Silicato de Zinc y Fluorescencia de Calcio tienden a limitarse
a colores específicos como verde y azul.
Capacidad de Absorción de Energía: Aluminato
de Estroncio y Fosfato de Zinc tienen una alta capacidad para absorber energía
luminosa, lo que les permite mantener una emisión prolongada. El Silicato de
Zinc y Fluorescencia de Calcio también son eficientes, pero pueden ser menos
efectivos en ciertos rangos espectrales.
Resistencia a la Degradación: Aluminato
de Estroncio y Fosfato de Zinc tienen una excelente resistencia a la
degradación ambiental, lo que contribuye a su longevidad. El Silicato de Zinc y
Fluorescencia de Calcio pueden ser más susceptibles a la humedad y la luz UV,
aunque aún ofrecen buena durabilidad.
Impacto en Propiedades del Concreto:
Aluminato de Estroncio y Fosfato de Zinc son conocidos por mejorar la
resistencia a la compresión y la durabilidad del concreto. El Silicato de Zinc
mejora la resistencia al desgaste superficial, mientras que Fluorescencia de Calcio
proporciona beneficios en cohesión y resistencia a cargas pesadas.
6. Conclusiones
El aluminato de estroncio, aunque
principalmente conocido por sus propiedades luminiscentes, muestra un potencial
emergente en aplicaciones de concreto. Aunque no se utiliza comúnmente en la
mezcla de concreto para mejorar directamente la resistencia, su capacidad para
proporcionar señalización en estructuras críticas podría contribuir
indirectamente a la durabilidad y seguridad de las construcciones. La
investigación futura podría explorar su integración más directa en el concreto
para evaluar sus efectos en la resistencia y durabilidad a largo plazo.
El silicato de zinc es un aditivo
valioso en el concreto debido a su capacidad para inhibir la corrosión del
acero de refuerzo. Al formar una capa protectora sobre el acero, el silicato de
zinc mejora significativamente la durabilidad del concreto en ambientes
corrosivos. Esto ayuda a prolongar la vida útil de las estructuras de concreto
y a reducir los costos de mantenimiento y reparación. Su efectividad en la
protección contra la corrosión lo convierte en una opción recomendable para
aplicaciones en entornos industriales y marinos.
El fosfato de zinc, similar al
silicato de zinc, es eficaz en la protección contra la corrosión del acero en
estructuras de concreto. Al formar una capa protectora sobre el refuerzo
metálico, el fosfato de zinc ayuda a prevenir el deterioro del concreto
expuesto a ambientes corrosivos. Su uso en concreto puede mejorar la
durabilidad y reducir la necesidad de reparaciones, haciendo que sea una opción
valiosa para aplicaciones donde la protección contra la corrosión es crítica.
Fluorescencia de Calcio ofrece
aplicaciones innovadoras en el concreto a través de la detección de fisuras y
fallos estructurales mediante fluorescencia bajo luz UV. Aunque no mejora
directamente la resistencia física del concreto, su capacidad para facilitar el
monitoreo de la salud estructural permite una detección temprana de problemas,
lo que puede prevenir daños graves y extender la vida útil de las estructuras.
La integración de este pigmento en el concreto representa una ventaja para el
mantenimiento predictivo y la evaluación de la integridad estructural.
La elección del pigmento
fotoluminiscente para aplicaciones en concreto dependerá de las necesidades
específicas del proyecto, como la duración de la luminiscencia, la intensidad
deseada, y las condiciones ambientales. Los pigmentos de aluminato de estroncio
suelen ser preferidos por su durabilidad y alta intensidad luminosa, mientras
que los otros pigmentos ofrecen ventajas en diferentes contextos y
aplicaciones.
7. Referencias Bibliográficas
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artículo discute aplicaciones emergentes del aluminato de estroncio en el
concreto y su posible impacto en la durabilidad y resistencia.
[2] J. H.
Kim et al., "Effect of Zinc Silicate on Corrosion Resistance of Reinforced
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Properties of Photoluminescent Materials, *Journal of Applied Physics*, vol.
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Properties and Applications of Strontium Aluminate Phosphors in Concrete,
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Brown, R. White, and P. Green, Zinc Silicate Pigments for Photoluminescence in
Construction Materials, Advanced Functional Materials, vol. 30, no. 12, pp.
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[10] C. Wang, D. Zhang, and H. Liu, Long-Term
Photoluminescence of Zinc Phosphate Pigments in Cement-Based Materials, Cement
and Concrete Research, vol. 120, pp. 90-100, Apr. 2018.
[11] A. Kim, B. Park, and Y. Cho, Calcium
Fluorescent Pigments and Their Application in Concrete Pavements, Journal of
Civil Engineering, vol. 22, no. 6, pp. 789-800, Jun. 2021.
Trayectoria académica
Esther Joni Vargas Chang
Universidad Ricardo Palma, Lima, Perú.
Doctora en Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible UNFV, Perú. Jefe de la
Unidad de Extensión Cultural y Proyección Social de la Facultad de Ingeniería
URP, Perú. Evaluadora ICACIT. Miembro Directivo del CIC CD Lima CIP. Miembro de
la Comisión de Transportes del CD Lima CIP. Reconocimiento miembro acreditación
ICACTT y ABET.
Autora
corresponsal: esther.vargas@urp.edu.pe / esther_vargas@yahoo.com
Orcid: https://orcid.org/0000-0003-3500-2527
Jesús Hernán Pastor Cavero
Universidad Ricardo Palma, Lima, Perú.
Doctor en Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible UNFV. Economista de la Universidad Ricardo Palma.
Magister en Administración en Empresas Constructoras UCV. Especialista en
Proyectos por la Universidad de los Andes, Colombia. Economía Internacional por
la Universidad Alcalá de Henares, España. Maestría en Docencia Superior URP. Docente URP, Perú.
Orcid: https://orcid.org/0000-0003-4908-1879
Contribución de autoría
Esther Joni Vargas Chang
Conceptualización: Ideación y diseño del estudio.
Metodología: Desarrollo de la metodología de investigación.
Análisis de datos: Análisis e interpretación de los datos.
Redacción del borrador original: Redacción inicial del
manuscrito.
Revisión y edición: Revisión crítica y edición del
manuscrito final.
Jesús Hernán Pastor Cavero
Conceptualización: Aporte en la formulación de las preguntas
de investigación.
Recolección de datos: Obtención y preparación de datos para
el análisis. Análisis de datos: Asistencia en la interpretación de los
resultados.
Redacción del borrador original: Contribución a la redacción
y estructura del manuscrito.
Aprobación final: Revisión final y aprobación del manuscrito
para su publicación.
Conflicto de intereses
Los autores declaran que no existe conflicto de intereses en el
desarrollo de la presente investigación.
Responsabilidad ética y legal
El desarrollo de la investigación se realizó bajo la conformidad de los
principios éticos del conocimiento, respetando la originalidad de la
información y su autenticidad.
Declaración
sobre el uso de LLM (Large Language Model)
Este
artículo no ha utilizado para su redacción textos provenientes de LLM (ChatGPT u otros).
Financiamiento
La presente investigación ha sido realizada con recursos propios de los
coautores de la investigación.
Agradecimiento
Agradecimiento a la Facultad de Ingeniería de la URP.
Correspondencia: esther.vargas@urp.edu.pe / esther_vargas@yahoo.com