Integration of Self-Healing Functionalities in Structural Design for Serviceability of Concrete Structures under Marine Exposure

Abstract

[ES] El hormigón es el material estructural más empleado en la construcción a nivel mundial debido a su resiliencia, versatilidad y rentabilidad. Sin embargo, su baja resistencia a la tracción provoca frecuentemente fisuras en servicio, que permiten la penetración de sustancias nocivas del entorno. Esto genera pérdida de integridad estructural y una reducción de la vida útil. El deterioro suele originarse por la corrosión de las armaduras embebidas, lo que conlleva una disminución de la sección del refuerzo, pérdida de adherencia y desprendimiento del recubrimiento de hormigón, resultando en deterioro prematuro y fallos estructurales.

El autosanado del hormigón ha sido ampliamente investigado en las últimas décadas. Aunque el hormigón tiene una capacidad natural para reparar pequeñas fisuras (autosanado autógeno), esta puede mejorarse añadiendo agentes de autosanado capaces de cerrar fisuras mayores. Entre los agentes más estudiados se incluyen bacterias, aditivos cristalinos, polímeros superabsorbentes y sistemas de encapsulación como microcápsulas, macrocápsulas y redes vasculares. Algunos de estos sistemas están disponibles comercialmente, mientras que otros están en desarrollo. Los mecanismos principales de autosanado se basan en la producción de carbonato de calcio y en el transporte de compuestos reparadores a las fisuras.

Aunque numerosos estudios han evaluado estos agentes a escala de laboratorio, su efectividad en elementos estructurales a escala industrial sigue siendo limitada. La transición a estructuras reales es crucial, ya que estas enfrentan condiciones más complejas de carga y exposición ambiental.

Este estudio busca cerrar estas brechas abordando los siguientes objetivos: 1. Demostrar la escalabilidad del hormigón autosanado desde muestras de laboratorio hasta vigas a escala industrial. 2. Analizar la fisuración en elementos estructurales con autosanado bajo cargas según normas de diseño. 3. Evaluar la penetración de cloruros y la protección frente a la corrosión en elementos fisurados. 4. Modificar los modelos de vida útil para hormigones fisurados con funcionalidad autosanadora.

Se investigaron tres tipos de hormigón: convencional (~50 MPa), de alta resistencia (~70 MPa) y de ultra-alta resistencia reforzado con fibras (~145 MPa). Se añadieron agentes autosanadores (bacterias encapsuladas y aditivos cristalinos) en vigas de 4 metros de longitud, diseñadas con fisuras controladas de 50 µm, 100 µm y 300 µm, refuerzos de 16 mm y recubrimientos de 20 mm y 30 mm.

El análisis de fisuración, realizado según códigos como Eurocódigo, ACI y el Modelo 2010, mostró que los agentes de autosanado aumentaron ligeramente la resistencia a compresión y redujeron marginalmente la resistencia a flexión, sin cambios significativos en el tamaño, patrón u orientación de las fisuras. Los modelos teóricos no replicaron de manera precisa los escenarios de fisuración observados experimentalmente, incluso tras ajustar los cálculos para incluir efectos de rigidez por tensión y endurecimiento por fibras.

Se evaluó la corrosión de las armaduras mediante potencial de media celda (HCP), mostrando que los niveles de fisuración aumentaron los valores negativos de HCP durante los primeros seis meses, aunque esta influencia disminuyó con el tiempo.

En entornos simulados marinos, los agentes autosanadores mejoraron la resistencia del hormigón a la penetración de cloruros. Aunque la fisuración amplificó el ingreso de cloruros, no se encontró una relación clara entre las características de las fisuras y la intensidad de la penetración. Si bien los agentes de autosanado no afectaron significativamente el comportamiento estructural, sí mejoraron notablemente la durabilidad frente a la corrosión, extendiendo la vida útil de las estructuras.

[CA] El formigó és el material estructural més utilitzat a escala mundial gràcies a la seva versatilitat, resistència ambiental i rendiment. Tot i així, la seva baixa resistència a la tracció pot provocar esquerdes en condicions de servei, permetent la penetració de substàncies nocives que causen corrosió a les armadures i redueixen la vida útil de les estructures. La corrosió genera efectes com la disminució de la secció de les barres de reforç, pèrdua d'adherència i deteriorament estructural.

Per abordar aquests problemes, s'han investigat les capacitats d'autosanació del formigó, que inclouen l'ús d'agents externs com bacteris, additius cristal·lins, polímers i encapsulaments (microcàpsules, macrocàpsules, xarxes vasculars). Tot i l'avenç en laboratoris, hi ha poca informació sobre l'eficàcia d'aquests agents en elements a escala industrial, especialment en estructures sotmeses a càrregues complexes i entorns agressius.

Aquest estudi té com a objectius principals: 1. Validar l'escalabilitat del formigó autosanant des de mostres de laboratori fins a vigues industrials. 2. Analitzar el comportament de les esquerdes sota diverses càrregues. 3. Avaluar la protecció contra la corrosió en vigues amb funcionalitat d'autoreparació. 4. Refinar els models de predicció de vida útil per a elements danyats amb capacitat d'autosanació.

S'han provat tres tipus de formigons (convencional, alta resistència i ultra alta resistència amb fibres) incorporant agents autosanadors (bacteris i additiu cristal·lí) en vigues de 4 metres sotmeses a fissures controlades (50 µm, 100 µm i 300 µm). Les proves inclouen l'avaluació de fisures mitjançant codis de disseny com l'Eurocodi i el Model Code 2010, proves de durabilitat com la penetració de clorurs, i l'anàlisi de la corrosió de les armadures.

Els resultats mostren que els agents autosanadors milloren la resistència a la compressió i redueixen lleugerament la resistència a la flexió, però tenen un impacte mínim en la resistència estructural general. Els codis de disseny actuals no prediuen adequadament el comportament de les esquerdes, especialment en formigons d'ultra alta resistència amb fibres, on es recomana considerar la rigidesa a tracció i l'efecte de les fibres per millorar les prediccions teòriques.

L'anàlisi no destructiva de la corrosió revela que el tipus de formigó i agent autosanador influeixen en la progressió de la corrosió. Els valors de potencial més negatius es correlacionen amb un major risc de corrosió inicialment, especialment en formigons d'alta resistència, tot i que aquesta tendència disminueix amb el temps. Finalment, els agents autosanadors redueixen significativament la penetració de clorurs en ambients agressius, millorant la durabilitat de les estructures fissurades, però sense alterar de manera significativa l'estructura global del formigó.

[EN] Concrete is the most widely used structural material globally due to its resilience, versatility, and cost-effectiveness. However, its low tensile strength often leads to cracks during service, which allow harmful substances to penetrate, causing structural integrity loss and reduced service life. These issues are primarily due to the corrosion of embedded reinforcement, leading to reduced rebar cross-sections, bonding loss, and spalling of the concrete cover, ultimately resulting in premature deterioration and potential structural failure.

To address these issues, self-healing functionalities in concrete have been extensively studied. Concrete naturally exhibits autogenous healing, which can be enhanced by incorporating external self-healing agents to repair larger cracks. Agents such as bacteria, crystalline admixtures, superabsorbent polymers, and encapsulations (e.g., microcapsules, macrocapsules, vascular networks) have been explored. While some are commercially available, others are still under development. These agents primarily work by precipitating calcium carbonate or transporting repair compounds to cracks.

Most studies on self-healing concrete have focused on laboratory-scale evaluations, with limited research on full-scale industrial components. Scaling up this technology is critical because real-world structures face complex stresses, loading conditions, and aggressive environments, which laboratory conditions cannot fully replicate.

This study addresses knowledge gaps by: 1. Demonstrating scalability from lab-scale specimens to industrial-scale beams. 2. Analyzing cracking in structural elements with self-healing capabilities under different loading conditions. 3. Assessing chloride ingress and rebar corrosion protection in cracked self-healing concrete. 4. Refining service life modeling for cracked concrete with self-healing functionality.

Three types of concrete were investigated: Ordinary Concrete (~50 MPa), High Strength Concrete (~70 MPa), and Ultra High-Performance Fiber Reinforced Concrete (~145 MPa). Two self-healing agents (encapsulated bacteria and crystalline admixture) were incorporated into the concrete mix. Four-meter-long beams were designed with 16 mm diameter reinforcement bars, 20 mm and 30 mm concrete covers, and cracked at levels of 50 µm, 100 µm, and 300 µm.

Cracking behavior was analyzed using design codes such as Eurocode, ACI, and Model Code 2010. Durability was tested through accelerated chloride migration and diffusion tests on cracked and uncracked samples, with results used to evaluate service life in simulated marine environments.

Key findings include: - Self-healing agents marginally increased compressive strength and slightly reduced flexural strength but had minimal impact on cracking size, pattern, and orientation. - Design codes, based on simplified models, inadequately predicted complex cracking scenarios. Adjustments accounting for tension stiffening and fiber effects in ultra-high-performance concrete led to significant deviations between theoretical and experimental results. - Non-destructive corrosion analysis revealed that corrosion progression depended on concrete quality and self-healing agent type. Cracks correlated with more negative half-cell potential (HCP) values during initial exposure, although this effect diminished over time. - Self-healing agents significantly improved resistance to chloride ingress, particularly in cracked specimens, without notably affecting structural cracking behavior.

Overall, the study highlights the potential of self-healing agents to enhance durability by mitigating chloride ingress and extending service life, while structural response remains largely unchanged. This research provides critical insights into the application of self-healing technologies in industrial-scale concrete structures.