Tesis:
Diseño de hormigones de altas prestaciones para la mejora de su resistencia y durabilidad
- Autor: PAREDES EGO-AGUIRRE, Julio A.
- Título: Diseño de hormigones de altas prestaciones para la mejora de su resistencia y durabilidad
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: INGENIERIA CIVIL: CONSTRUCCION
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70025/
- Director/a 1º: GÁLVEZ RUIZ, Jaime
- Director/a 2º: ENFEDAQUE DÍAZ, Alejandro
- Resumen: El hormigón se constituye actualmente como el material de mayor importancia en el mundo de la construcción debido a su uso extendido en diversas aplicaciones y a los múltiples estudios que se realizan sobre él en centros de investigación a nivel mundial. La tecnología del hormigón muestra un marcado avance tecnológico en las últimas décadas; la aparición de nuevos tipos de cementos, adiciones altamente reactivas, fibras estructurales y aditivos de última generación han permitido desarrollar hormigones especiales con prestaciones mejoradas que se adaptan a los requerimientos y demandas actuales. Dentro de los diferentes tipos de hormigón destaca el hormigón de ultra altas prestaciones (UHPC, por sus siglas en inglés), que además de mejorar las propiedades mecánicas del hormigón, mejora también su durabilidad. Dicho hormigón, mediante el uso de áridos de menor diámetro al habitual, de adiciones que pueden llegar a tamaños nanométricos y del uso imprescindible de aditivos superplastificantes, logra modificar la microestructura de su matriz, haciéndola más homogénea, más densa y con menor porosidad. Este material compuesto es el centro de la presente investigación, que intenta mejorar el conocimiento de las características del UHPC a nivel microestructural. El principal objetivo del estudio es optimizar la microestructura del UHPC buscando no sólo la mejora de las propiedades mecánicas sino también de la durabilidad. Además, se persigue justificar dicha mejora a través de los resultados de la campaña experimental. Para lograr los objetivos planteados se ha dividido la investigación en cuatro pasos: diseño de mezclas, obtención de las propiedades mecánicas, caracterización microestructural y evaluación de la durabilidad. La investigación tomó como referencia una formulación de UHPC, denominada CTRL, a la que se añadieron adiciones y nanoadiciones, tales como: metacaolín (MK), humo de sílice (SF) y dos tipos de nanosílice, de 50 y 200 m2/g de superficie específica (NS1 y NS2, respectivamente). Adicionalmente, se fabricó un grupo de probetas que incluían fibras de acero de 13 mm de longitud y 0,20 mm de diámetro. Las formulaciones se caracterizaron mediante ensayos de resistencia a compresión, análisis térmico diferencial y termogravimétrico (ATD-TG) y porosimetría por intrusión de mercurio (PIM), resistividad eléctrica, migración de cloruros, penetración acelerada de cloruros y carbonatación acelerada. Los ensayos de resistencia a compresión mostraron que las mezclas con adiciones incrementaron su resistencia con respecto a la formulación CTRL, hasta en 13% a los 7 días de curado, hasta en 16% a los 28 días y hasta en 14% a los 91 días de edad. Las probetas que incluyeron fibras de acero (Vf = 0,89%), registraron incrementos de la resistencia a compresión a 7 y 28 días, de al menos 20%, respecto de las probetas análogas sin fibras. Los ensayos de ATD-TG mostraron que las formulaciones con adiciones, en especial las que incluyeron NS1 y NSC (combinación de NS1 y NS2), incrementaron la cantidad de gel C-S-H con respecto a la muestra CTRL tanto a 28 como a 91 días, así como la relación gel C-S-H/portlandita. Los ensayos de PIM mostraron una reducción de la porosidad total con el uso de adiciones, alcanzando valores de 5,91% a los 28 días en el caso de la mezcla 4MK.4SF+2NS1. El refinamiento de la red porosa se vio reflejado en la reducción del porcentaje de capilares grandes y en el incremento del porcentaje de capilares de gel, en especial con el uso de NS1 y NSC. Por último, los ensayos de durabilidad mostraron que el uso de adiciones mejora de manera sustancial el comportamiento durable de los UHPC, sobre todo si se incluyen nanoadiciones. Luego de analizar el conjunto de resultados obtenidos, se concluyó que tanto la distribución de la red porosa como la formación de distintos productos hidratados en mezclas de UHPC guardan relación con su resistencia mecánica y su durabilidad. El trabajo realizado puede ser utilizado como punto de partida para futuras investigaciones relativas al uso de nanoadiciones en nuevos tipos de UHPC. ----------ABSTRACT---------- Concrete is currently the most significant material in the world of construction due to its use in numerous applications and the research studies about it currently carried out worldwide. Concrete technology has shown a marked technological advance in recent decades. The appearance of new types of cements, highly reactive additions, structural fibres and latest generation additives have allowed the development of special concretes with improved performance that adapt to current requirements and demands. Among the different types of concrete, ultra-high performance concrete (UHPC) stands out, which in addition to improving the mechanical properties of concrete, also enhances its durability. Such concrete, through the use of aggregates of smaller diameters than traditional ones, additions that can reach nanometric sizes and the use of superplasticizer additives, manages to modify the microstructure of its matrix, making it more homogeneous, denser and with less porosity. This composite material is the focus of this research, which attempts to broaden the understanding of UHPC at a microstructural level. The main objective of the study is to optimize the microstructure of the UHPC, which might be translated into the improvement of its mechanical properties and durability. In addition, the mentioned improvements will be explained based on the results of an experimental campaign. To achieve the proposed objectives, the investigation has been divided into four steps: mixture design, assessment of the mechanical properties, microstructural characterization and durability evaluation. The research considered a mixture as reference, which was termed CTRL, where several additions, such as: metakaolin (MK), silica fume (SF) and two types of nanosilica, 50 and 200 m2/g of specific surface (NS1 and NS2, respectively) were added. Besides, a group of specimens was manufactured including steel fibres 13 mm in length and 0.20 mm in diameter. The specimens were subjected to compressive strength tests, differential thermal and thermogravimetric analysis (DTA-TG) and mercury intrusion porosimetry (MIP), electrical resistivity, chloride migration, accelerated chloride penetration and accelerated carbonation. Compressive strength tests showed that the mixes with additions increased their strength with respect to CTRL formulation, up to 13% at 7 days of curing age, up to 16% at 28 days and up to 14% at 91 days of age. The specimens that included steel fibres (Vf = 0.89%), increased their compressive strength at 7 and 28 days, at least 20%, with respect to the analogous specimens without fibres. DTA-TG tests showed that the formulations with additions, especially those that included NS1 and NSC (combination of NS1 and NS2), increased the amount of C-S-H gel with respect to CTRL specimens both at 28 and 91 days, as well as the C-S-H gel/portlandite ratio. MIP test showed a reduction in total porosity with the use of additions, reaching values of 5.91% at 28 days in the case of the 4MK.4SF+2NS1 mixture. The refinement of the porous network was reflected in the reduction of the percentage of large capillaries and in the increase of the percentage of gel capillaries, especially with the use of NS1 and NSC. Lastly, the durability tests showed that the use of additions substantially improves the durable behaviour of UHPCs, especially if nanoadditions are included. After analysing the results obtained, it was concluded that both the distribution of the porous network and the formation of different hydrated products in UHPC mixtures are related to their mechanical resistance and durability. The work carried out can be used as a starting point for future research on the use of nanoadditions in new types of UHPC.