Estudio de compuestos de GRC y adiciones activas: Propiedades mecánicas, envejecimiento acelerado y durabilidad

Abstract

[ES] En el ámbito de los materiales compuestos o composites para la construcción, el cemento reforzado con fibras de vidrio (GRC, del inglés glass fiber reinforced cement) es el más extensamente utilizado, por sus excelentes propiedades mecánicas (resistencia a flexión y tenacidad). Sin embargo, la durabilidad de estos composites se ha demostrado crítica, y es necesario proponer alternativas. Las fibras usadas, de carácter álcali-resistente (fibras AR, formadas por agrupación de filamentos), son atacadas por el medio agresivo que impone el cemento hidratado. Una alternativa interesante, desde el punto de vista tecnológico, es la incorporación de materiales cementantes suplementarios de carácter puzolánico. El objetivo del presente trabajo es estudiar la influencia de las diferentes adiciones activas en morteros de GRC, observando el comportamiento de los elementos constitutivos del material en condiciones normales de curado, y también al ser sometidos a procesos de envejecimiento controlado. Asimismo, se analiza el comportamiento de los nuevos composites sometidos a diferentes medios agresivos, evaluando la durabilidad y la mejora de los compuestos por medio de la determinación de sus propiedades mecánicas, químicas y físicas. Se han elaborado probetas de GRC a través del procedimiento de premezcla (premix) y se han determinado sus propiedades mecánicas (resistencia a flexión, tenacidad y módulo de elasticidad). Adicionalmente, se han cuantificado las ganancias de resistencia al comparar composites GRC basados en cemento Portland (especímenes control) con otros en los que se ha sustituido hasta el 60% de dicho cemento por adiciones puzolánicas. Al objeto de mejorar la reactividad de las puzolanas, en algunos casos se ha implementado un aumento de su finura a través de la molienda (cenizas volantes molidas, CVm) o de procesos de sonicación (humo de sílice sonicado, HSS). Los especímenes de GRC han sido sometidos a un proceso de envejecimiento (tratamiento en agua a 55ºC durante un período prolongado) y se ha observado un empeoramiento muy importante de la resistencia a flexión y la tenacidad de aquellos que poseen solamente cemento Pórtland como componente cementante. Los composites GRC que contienen cantidades elevadas de puzolana (60% de CVm) o mezclas de puzolanas (50%CVm / 10%HSS, 50%CVm / 10%FCC) presentan una mejora sustancial de las propiedades mecánicas con respecto a los GRC control. La mejora de estos sistemas GRC con elevados porcentajes de puzolanas reactivas se han confirmado a través de estudios físicos y físico - químicos: evaluación de densidad, absorción, estudios microscópicos (lupa y microscopía electrónica de barrido) y análisis termogravimétrico. En cuanto a la respuesta de los composites GRC frente a diferentes disoluciones agresivas, se ha demostrado el efecto beneficioso de la presencia de puzolanas. Después de la exposición de los morteros de GRC a una disolución de NH4Cl, el comportamiento mecánico de los morteros puzolánicos se mantiene por encima del mortero GRC control: esto se debe a la relación directa existente con el incremento de la densidad y la disminución de grado de absorción del composite con la sustitución puzolánica. Al evaluar las propiedades de los morteros de GRC después de su exposición a una disolución de H2SO4, se observan diferencias muy importantes en la evolución de la masa, resistencia a flexión y tenacidad: los composites control son más afectados por la acidez del medio, de modo que la pérdida de masa es muy significativa si se compara con los GRC que presentan puzolanas. La estancia en la empresa Saint Gobain Vetrotex, ha permitido confirmar una gran similitud en los resultados obtenidos mediante los procedimientos seguidos en el laboratorio de la UPV (compuestos de GRC premezclado) comparados con las prácticas desarrolladas por el laboratorio de materiales de la empresa (composites de GRC proyectado). Se han evaluado

[CAT] En l'àmbit dels materials compostos o compòsits per a la construcció, el ciment reforçat amb fibres de vidre (GRC, de l'anglès glass fiber reinforced cement) és el més extensament utilitzat, per les seves excel·lents propietats mecàniques (resistència a flexió i tenacitat). No obstant això, la durabilitat d'aquests compòsits s'ha demostrat crítica, i cal proposar alternatives. Les fibres usades, de caràcter àlcali-resistent (fibres AR, formades per agrupació de filaments), són atacades pel medi agressiu que imposa el ciment hidratat. Una alternativa interessant des del punt de vista tecnològic és la incorporació de materials cimentants suplementaris de caràcter putzolànic. L'objectiu d'aquest treball és estudiar la influència de les diferents addicions actives en morters de GRC, observant el comportament dels elements constitutius del material en condicions normals de curat, i també quan son sotmesos a processos d'envelliment controlat. Així mateix, s'analitza el comportament dels nous compòsits sotmesos a diferents mitjans agressius, avaluant la durabilitat i la millora dels compostos mitjançant la determinació de les seves propietats mecàniques, químiques i físiques. S'han elaborat provetes de GRC a través del procediment de mescla prèvia (premix) i s'ha determinat les seves propietats mecàniques (resistència a flexió, tenacitat, mòdul d'elasticitat). Addicionalment s'han quantificat els guanys de resistència al comparar compòsits GRC basats en ciment Portland (espècimens control) amb altres en què s'ha substituït fins al 60% d'aquest ciment per materials putzolànics. A l'objecte de millorar la reactivitat de les putzolanes, en alguns casos s'ha implementat un augment de la seva finor a través de la mòlta (cendres volants mòltes, CVm) o de processos de sonicació (fum de sílice sonicat, HSS). Els espècimens de GRC han estat sotmesos a un procés d'envelliment (tractament en aigua a 55ºC durant un període prolongat) i s'ha observat l'empitjorament molt significatiu de la resistència a flexió i la tenacitat d'aquells que posseeixen solament ciment Pòrtland com a component cimentant. Els compòsits GRC que contenen quantitats elevades de putzolana (60% de CVm) o mescles de putzolanes (50% CVm / 10% HSS, 50% CVm / 10% FCC) presenten una millora substancial de les propietats mecàniques respecte als GRC control. La millora d'aquests sistemes GRC amb elevats percentatges de putzolanes reactives s'han confirmat a través d'estudis físics i fisicoquímics: avaluació de densitat, absorció, estudis microscòpics (lupa i microscòpia electrònica de rastreig) i anàlisi termogravimètric. Pel que fa a la resposta dels compòsits GRC enfront de diferents dissolucions agressives, s'ha demostrat l'efecte beneficiós de la presència de putzolanes. Després de l'exposició dels morters de GRC a una dissolució de NH4Cl, el comportament mecànic dels morters putzolànics es millor que el morter GRC control: això es deu a la relació directa existent amb l'increment de la densitat i la disminució del grau d'absorció del compòsit amb la putzolana. Quan s¿ha avaluat les propietats dels morters de GRC després de la seva exposició a una dissolució H2SO4, s'observen diferències molt importants en l'evolució de la massa, resistència a flexió i tenacitat: els compòsits control són més afectats per l'acidesa del medi, de manera que la pèrdua de massa és molt significativa si es compara amb els GRC que presenten putzolanes. L'estada a l'empresa Saint Gobain Vetrotex, ha permès confirmar una gran similitud en els resultats obtinguts mitjançant els procediments seguits en el laboratori de la UPV (compostos de GRC amb premescla) comparats amb les pràctiques desenvolupades pel laboratori de materials de l'empresa (compostos de GRC projectat). S'han avaluat prototips per a la indústria de l'GRC projectat.

[EN] In the field of composite materials for construction, glass fiber reinforced cement (GRC) is the most widely used, due to its excellent mechanical properties (resistance to bending and toughness). However, the durability of these composites has been demonstrated to be critical and alternatives need to be proposed. The used fibers, alkali-resistant (AR fibers, formed by grouping of filaments), are attacked by the aggressive medium imposed by the hydrated cement. An interesting alternative, from a technological point of view, is the incorporation of supplementary cementitious materials of pozzolanic behaviour. The purpose of this research is to study the influence of the different mineral additions in GRC mortars, observing the behaviour of the constituent elements of the material under normal curing conditions and controlled aging processes. Likewise, the behaviour of new composites subjected to different aggressive environments is analyzed, evaluating the durability and improvement of the compounds by determining their mechanical, chemical and physical properties. GRC specimens have been produced through the premix procedure and their mechanical properties (flexural strength, toughness, and modulus of elasticity) have been determined. Additionally, resistance gains have been quantified when comparing GRC composites based on Portland cement (control specimens) with others in which up to 60% of that cement has been replaced by pozzolanic additions. In order to improve the reactivity of pozzolans, in some cases an increase in its fineness has been implemented through grinding (ground fly ash, CVm) or sonication processes (sonicated silica fume, HSS). The GRC specimens have been subjected to an aging process (treatment in water at 55ºC for an extended period) and worsening of the flexural strength and toughness of those who only have Portland cement as cementitious component has been observed. GRC composites containing high amounts of pozzolan (60% CVm) or mixtures of pozzolans (50% CVm / 10% HSS, 50% CVm / 10% FCC) show a substantial improvement in mechanical properties compared to the control GRC. The improvement of these GRC systems with high percentages of reactive pozzolans have been confirmed through physical and physical-chemical studies: evaluation of density, absorption, microscopic studies (magnifying glass and scanning electron microscopy), and thermogravimetric analysis. Regarding the response of GRC composites against different aggressive solutions, the beneficial effect of the presence of pozzolans has been demonstrated. After the exposure of the GRC mortars to a NH4Cl solution, the mechanical behavior of pozzolanic mortars remains above that of the control GRC mortar: this is due to the direct relationship existing with the increase in density and the decrease in the absorption of the composite with the pozzolanic replacement. When evaluating the properties of GRC mortars after exposure to an H2SO4 solution, very important differences are observed in the evolution of the mass, flexural strength and toughness: the control composites are more affected by the acidity of the medium, so that the loss of mass is very significant when compared to the GRCs that present pozzolans. The stay at the Saint Gobain Vetrotex company has confirmed a great similarity to the results obtained by the procedures followed at the UPV laboratory (premixed GRC compounds) compared to the practices developed by the company's materials laboratory (composites of projected GRC). Scalable prototypes have been assessed for the projected GRC industry.