Self-healing concrete: efficiency evaluation and enhancement with crystalline admixtures

Abstract

Los materiales autosanables son materiales con la capacidad de reparar sus daños de forma autónoma o con ayuda mínima de estímulos externos. En el campo de la construcción, el desarrollo de elementos autosanables aumentará la durabilidad de las estructuras y reducirá las acciones de mantenimiento y reparación. Los elementos de hormigón armado presentan frecuentemente pequeñas fisuras (< 0.3 mm), no relevantes mecánicamente, pero que pueden suponer un punto de entrada para agentes agresivos.

El hormigón tiene una cierta capacidad de autosanación, capaz de cerrar pequeñas fisuras, producida principalmente por la hidratación continuada y la carbonatación. Estudios recientes han intentado mejorar dicha capacidad y diseñar productos específicos para conseguirla. Estos productos incluyen, entre otros, aditivos cristalinos, agentes micro o macroencapsulados, e incluso el uso de bacterias. Los aditivos cristalinos (CA) son un tipo de aditivo para hormigón que se considera que aporta propiedades de autosanación. No obstante, la falta de conocimiento sobre su comportamiento limita su uso. Además, los métodos para evaluar la autosanación en hormigones no están estandarizados todavía. Esto complica la realización de un análisis crítico de los diferentes productos y métodos de evaluación propuestos en la literatura.

Para responder a esta falta de conocimiento, los objetivos de esta tesis son: 1) estudiar y proponer procedimientos experimentales para evaluar los fenómenos de autosanación en hormigón y, 2) evaluar experimentalmente las mejoras producidas al introducir aditivos cristalinos.

Esta tesis incluye como ensayos para la determinación de la autosanación: la evaluación del cierre de fisuras, la permeabilidad al agua, flexión a tres puntos y absorción capilar. Además, se han realizado varias campañas experimentales para validar los ensayos propuestos. Posteriormente, estos ensayos se han utilizado para analizar la influencia de varios parámetros, incluyendo entre otros: presencia de aditivos cristalinos, nivel de daño, tiempo necesario para el sanado, composición del hormigón y condiciones de sanado. Finalmente, se analizan los efectos producidos al añadir aditivos cristalinos en hormigón en la fluidez, resistencia e hidratación.

Los resultados muestran que el cierre de fisuras es un ensayo eficaz y sencillo para evaluar la autosanación. Sin embargo, la orientación de la fisura durante el sanado ha resultado ser de gran importancia, y no considerar este aspecto puede llevar a conclusiones engañosas. El ensayo de permeabilidad al agua propuesto en este trabajo presenta una buena estabilidad y es fácil de implementar en laboratorios. Además, las relaciones obtenidas entre los parámetros de fisura y la permeabilidad del agua han confirmado la relación cúbica indicada en la literatura. Este trabajo muestra que analizar la eficiencia de autosanado mediante el cierre de fisuras puede llevar a una sobreestimación de la capacidad de sanación, comparada con los resultados obtenidos mediante permeabilidad. Los ensayos de sorptividad resultaron fáciles de implementar, sin embargo, los resultados obtenidos mostraron una alta dispersión y sensibilidad a las variaciones en las fisuras producidas durante el proceso de prefisuración. En cuanto a la evaluación de la recuperación mecánica, los resultados muestran que la evolución de las propiedades del hormigón con el tiempo es un parámetro que debe considerarse, especialmente en fisuras de edades tempranas.

En este trabajo se ha obtenido que los aditivos cristalinos potencian las reacciones de autosanación, pero tienen una capacidad limitada. La proximidad de los CA a la industria es un punto positivo para su inclusión como un nuevo tipo de aditivo de hormigón. Sin embargo, los resultados obtenidos en esta tesis indican que se necesitan más análisis para determinar sus efectos completos en hormigón, especialmente con respect

Self-healing materials are materials with the capability to repair their damage autonomously or with minimal help from an external stimulus. In the construction field, the development of self-healing elements will increase the durability of structures and reduce their maintenance and repair actions. Reinforced concrete elements frequently suffer small cracks (< 0.3 mm), not relevant mechanically, but they can be an entrance point for aggressive agents.

Concrete has a natural self-healing capability able to seal small cracks, produced by the continuing hydration and carbonation processes. Recent studies have attempted to improve that healing capability and to design specific products to achieve it. These products include, among others: crystalline admixtures, micro- or macro-encapsulated agents, and even the use of bacteria. Crystalline admixtures (CA) are a concrete admixture that is claimed to provide self-healing properties. However, the lack of knowledge on their behavior and self-healing properties limits their usage. In addition, the methods to evaluate the self-healing capability of mortar and concrete are not standardized yet. This complicates the performance of a critical analysis of the different self-healing products and evaluation methods found in the literature.

In order to answer to this lack of knowledge, the objectives of this thesis are: 1) to study and propose experimental procedures in order to evaluate self-healing in concrete and, 2) to evaluate experimentally the self-healing enhancements produced when introducing crystalline admixtures.

This thesis includes the following tests for the determination of the self-healing: the evaluation of crack closing, water permeability, three point bending tests and capillary absorption test. In addition, several experimental campaigns have been performed with the objective of validating the proposed tests. Afterwards, these methods have been used to analyze the influence of several parameters, including among others: the presence of crystalline admixtures, the damage extent, healing time needed, concrete composition and healing conditions. Finally, the effects that crystalline admixtures produce in concrete are analyzed in terms of slump, strength and hydration.

The results show that crack closing is an effective and simple method to evaluate self-healing. However, the orientation of the crack during healing is of great importance, and disregarding this aspect may lead to misleading conclusions. The water permeability method proposed in this work has good stability and it is easy to implement in concrete laboratories. Moreover, the relations obtained between crack parameters and water permeability confirmed the cubic relation, as reported in the literature. This work shows that analyzing healing efficiency by means of crack closing tends to overestimate self-healing if compared with the results obtained by means of water permeability. Sorptivity analysis tests were easy to implement, however, the results obtained in this work showed high dispersion and sensitivity to the variations of the cracks introduced during the precracking process. Regarding the evaluation of mechanical recoveries, the results show that the evolution of concrete properties with time is a parameter of importance that, therefore, should be considered, especially for early age cracks.

In this work, crystalline admixtures have been reported as an enhancer of self-healing reactions, but with a limited capacity of enhancement. The proximity of CA to the industry is a positive point to their inclusion as a new type of admixture for concrete. However, the results obtained in this thesis indicate further analyses are needed to determine their full effects on concrete, especially regarding self-healing.

Els materials autosanables són materials amb la capacitat de reparar els seus danys de forma autònoma o amb ajuda mínima d'estímuls externs. En el camp de la construcció, el desenvolupament d'elements autosanables augmentarà la durabilitat de les estructures i reduirà les accions de manteniment i reparació. Els elements de formigó armat presenten freqüentment fissures menudes (< 0.3 mm), no rellevants des del punt de vista mecànic, però poden suposar un punt d'entrada per a agents agressius.

El formigó té una capacitat de autosanació capaç de tancar fissures menudes, produïda principalment per la hidratació continuada i la carbonatació. Estudis recents han intentat millorar eixa capacitat i dissenyar productes específics per aconseguir-la. Aquests productes inclouen, entre d'altres, additius cristal·lins, agents micro- o macroencapsulats, i fins i tot l'ús de bacteris. Els additius cristal·lins (CA) són un tipus d'additiu reductor per formigó que es considera que proporciona propietats de autosanació. No obstant, la manca de coneixement sobre el seu comportament limita el seu ús. A més, els mètodes per avaluar la autosanació de formigons encara no estan estandarditzats. Açò complica la realització d'una anàlisi crítica dels diferents productes i mètodes d'avaluació proposats a la literatura.

Per respondre a aquesta manca de coneixement, els objectius d'aquesta tesi són: 1) estudiar i proposar procediments experimentals per avaluar els fenòmens d'autosanació en formigó i, 2) avaluar experimentalment les millores produïdes en introduir additius cristal·lins.

Aquesta tesi inclou com assajos per a la determinació de l'autosanació: l'avaluació del tancament de fissures, la permeabilitat a l'aigua, flexió a tres punts i absorció capil·lar. A més, s'han realitzat diverses campanyes experimentals per validar els assajos proposats. Posteriorment, aquests assajos s'han utilitzat per analitzar la influència de diversos paràmetres: presència d'additius cristal·lins, nivell de dany, temps necessari per a la sanació, composició del formigó i condicions de sanació. Finalment, s'analitzen els efectes produïts en afegir additius cristal·lins en formigó en fluïdesa, resistència i hidratació.

Els resultats mostren que el tancament de fissures és un assaig eficaç i senzill per avaluar l'autosanació. No obstant això, l'orientació de la fissura durant la sanació ha resultat ser de gran importància, i no considerar aquest aspecte pot portar a conclusions enganyoses. L'assaig de permeabilitat a l'aigua proposat presenta una bona estabilitat i és fàcil d'implementar en laboratoris. A més, les relacions obtingudes entre els paràmetres de fissura i la permeabilitat a l'aigua han confirmat la relació cúbica de la literatura. Aquest treball mostra que analitzar l'eficiència de l'autosanació amb el tancament de fissures pot sobreestimar la capacitat de sanació, comparada amb els resultats obtinguts-dues mitjançant permeabilitat a l'aigua. Els assajos de sorptivitat van resultar fàcils d'implementar, però, els resultats obtinguts en aquest treball van mostrar una alta dispersió i sensibilitat a les variacions en les fissures produïdes durant el procés de prefissuració. Pel que fa a l'avaluació de la recuperació mecànica, els resultats mostren que l'evolució de les propietats del formigó amb el temps és un paràmetre d'importància que, per tant, s'ha de considerar, especialment per fissures primerenques.

En aquest treball s'ha obtingut que els additius cristal·lins potencien les reaccions d'autosanació, però tenen una capacitat limitada. La proximitat dels CA a la indústria és un punt positiu per a la seva inclusió com un nou tipus d'additiu de formigó. Tanmateix, els resultats obtinguts en aquesta tesi indiquen que calen més anàlisis per determinar els seus efectes complets en formigó, especialment pel que fa a l'autosanació.