Optimised Mix designs for Self-Healing Concrete

Abstract

[ES] El hormigón es considerado como uno de los principales materiales de construcción más ampliamente utilizado en obras de infraestructuras. Su consideración como material de gran durabilidad y su ventajosa relación calidad-precio en comparación con otros materiales le ha hecho indispensable en la era moderna. Sin embargo, las fisuras son prácticamente inevitables en las estructuras de hormigón armado y se consideran como uno de sus puntos débiles, ya que comprometen la durabilidad de las infraestructuras y pueden generar condiciones inseguras. Hay muchas técnicas de reparación para sellar y sanar las fisuras, pero suelen ser costosas y requieren tiempo de intervención. Por esta razón, en los últimos años, se han realizado muchas investigaciones buscando alternativas para resolver estos problemas desarrollando una nueva generación de hormigones que se han denominado hormigones auto sanables. Se ha demostrado que las tecnologías de auto sanado cierran eficazmente las fisuras parcial o totalmente en un sistema cementoso. Sin embargo, los estudios a nivel del hormigón son todavía bastante limitados y en la mayoría de los casos las dosificaciones de la mezcla no fueron optimizados para la introducción de agentes de autosanado.

Del estudio amplio de la literatura se aprecia que la incorporación de agentes de autosanado no siempre conllevan efectos positivos en las propiedades del hormigón. En consecuencia, según el tipo de agente de sellado/sanado, será necesario optimizar la dosificación para garantizar que no reduce en alguna medida las prestaciones del hormigón colocado. Se analiza un amplio espectro de agentes de sanado/sellado: bacterias (BAC), adiciones cristalinas (CA), biomasas y agentes incorporados en micro o macro cápsulas. Previamente a su introducción en el hormigón se evaluó su compatibilidad con los materiales cementosos, como información básica para el diseño de las mezclas. La optimización del diseño de las mezclas de hormigón se llevó a cabo dependiendo del agente elegido y los objetivos de la investigación. Al utilizar CA, se encontró que aumentar su dosis y el contenido en cemento conducía a mejorar la eficiencia de curación (HE) y la de sellado (SE). La variación de la relación agua-cemento (a/c) no produjo una mejora notable de HE y SE. Se profundizó el conocimiento sobre las propiedades de adherencia entre las armaduras y la matriz de hormigón. La inclusión de agentes de sanado (BAC, CA, biomasas) conllevó la mejora de la adherencia con un crecimiento del 57% cuando se adiciona CA. Aunque la presencia de fisuras longitudinales redujo críticamente la adherencia, se logró una recuperación importante gracias a los efectos del auto sanado. Se encontraron efectos contrapuestos del uso de microcápsulas. Se confirma una reducción significativa de la resistencia mecánica y una mejora significativa del sellado. Los parámetros de diseño de mezcla se optimizaron para compensar la reducción de resistencia, con un programa experimental con diseño factorial completo. Por la estructura inerte, las macrocápsulas tiende a perturbar el empaquetamiento de los áridos. Para la optimización de la mezcla se desarrolló un modelo de empaquetamiento de partículas modificado para predecir la proporción de huecos de las mezclas de áridos y cápsulas.

Con todo, el resultado de esta investigación puede servir como guía para comprender la contribución de los parámetros de diseño de mezclas que afectan las propiedades de auto sanado, que potencialmente ayudará a investigadores e ingenieros a formular mezclas de hormigón para aplicaciones de auto sanado.

[CA] El formigó és considerat un dels principals materials de construcció més àmpliament utilitzat en obres d'infraestructures. La seua consideració com a material de gran durabilitat i la seua relació qualitat-preu avantatjosa en comparació amb altres materials l'ha fet indispensable en l'era moderna. Tot i això, les fissures són pràcticament inevitables en les estructures de formigó armat i es consideren com un dels seus punts febles, ja que comprometen la durabilitat de les infraestructures i poden generar condicions insegures. Hi ha moltes tècniques de reparació per segellar i curar les fissures, però solen ser costoses i requereixen temps d'intervenció. Per aquesta raó, en els darrers anys, s'han realitzat moltes investigacions buscant alternatives per resoldre aquests problemes desenvolupant una nova generació de formigons que s'han anomenat formigons auto sanables. S'ha demostrat que les tecnologies de auto curat tanquen eficaçment les fissures parcialment o totalment en un sistema de ciment. Tot i això, els estudis a nivell del formigó són encara força limitats i en la majoria dels casos les dosificacions no van ser optimitzades per a la introducció d'agents d'auto curat.

De l'estudi ampli de la literatura s'aprecia que la incorporació d'agents d'auto curat no sempre comporta efectes positius en les propietats del formigó. En conseqüència, segons el tipus d'agent de segellat/curat, cal optimitzar la dosificació per garantir que no redueix en alguna mesura les prestacions del formigó. S'analitza un ampli espectre d'agents de curat / segellament: bacteris (BAC), addicions cristal·lines (CA), biomassa i agents incorporats en micro o macro càpsules. Prèviament a la seua introducció al formigó es va avaluar la compatibilitat amb els conglomerants, com a informació bàsica per al disseny de mescles. L'optimització del disseny de les mescles de formigó es va dur a terme depenent de l'agent elegit i els objectius de la investigació. En utilitzar CA, es va trobar que augmentar-ne la dosi i el contingut en ciment conduïa a millorar l'eficiència de curació (HE) i la de segellat (SE). La variació de la relació aigua-ciment (a/c) no va produir una millora notable de HE i SE. S'aprofundí el coneixement sobre les propietats d'adherència entre les armadures i la matriu de formigó. La inclusió d'agents de curació (BAC, CA, biomassa) va comportar la millora de l'adherència amb un creixement del 57% quan s'hi afegeix CA. Tot i que la presència de fissures longitudinals va reduir críticament l'adherència, es va aconseguir una recuperació important gràcies als efectes del auto curat. S'han trobat efectes contraposats de l'ús de microcàpsules. Es confirma una reducció significativa de la resistència mecànica i una millora significativa del segellat. Els paràmetres de disseny de mescla es van optimitzar per compensar la reducció de resistència, amb un programa experimental amb disseny factorial complet. Per la seua estructura inert, les macrocàpsules tendeixen a pertorbar l'empaquetament dels àrids. Per optimitzar la mescles es va desenvolupar un model d'empaquetament de partícules modificat per predir la proporció de buits de les mescles d'àrids i càpsules.

Amb tot, el resultat d'aquesta investigació pot servir com a guia per comprendre la contribució dels paràmetres de disseny de barreges que afecten les propietats de auto curat, que potencialment ajudarà investigadors i enginyers a formular barreges de formigó per a aplicacions de auto curat.

[EN] Concrete has been widely used as a major material for infrastructure works. The durable character and the advantageous price-quality ratio compared to other materials have made concrete indispensable in the modern era. However, cracks in concrete structures are inevitable and are known as one of the inherent weaknesses of concrete, thereby making a threat to the durability of infrastructure which can lead to unsafe conditions. There are many repair techniques to seal and heal the cracks, but these approaches are costly and time-consuming. Therefore, during past years, many researchers searched for alternatives to solve these problems by developing a new generation of concrete namely self-healing concrete. Self-healing technologies have proven to effectively close cracks partially or fully in the cementitious system. However, studies on the concrete level are still rather limited and in most cases, the mix designs were not optimized for the introduction of healing agents.

Based on a comprehensive literature, it was revealed that not all healing/sealing agents induce positive effects to the concrete properties. Consequently, an optimization of the mix designs is necessary to guarantee that these agents do not negatively affect the concrete properties to some extent. In this PhD dissertation, a wide range of healing/sealing agents were utilized such as bacteria (BAC), crystalline admixture (CA), biomasses, micro- and macro-encapsulated agents. Prior to the introduction of these agents into the concrete, the compatibility between healing/sealing agents and cementitious materials was evaluated to serve as a basic input for designing the concrete mixtures. The optimizations of concrete mix designs were carried out depending on the choice of the agents and the research objectives. When using CA, it was found that increasing the CA dosage and cement content in the mix design improved the healing efficiency (HE) and sealing efficiency (SE). Varying the water-cement ratio (w/c) did not give a remarkable improvement of HE and SE. A deep insight in the bond properties between the steel reinforcement and the self-healing concrete matrix was achieved. The inclusion of healing agents (i.e., BAC, CA, biomasses) possessed a bond strength improvement with the highest enhancement of 57% attained by the CA addition. Although the presence of a longitudinal crack critically reduced the bond strength, a bond restoration was achieved due to self-healing effects. Dual effects of using microcapsules were found, confirming a significant reduction of mechanical strength and a significant sealing improvement. Therefore, the mix design parameters were optimized to compensate the strength reduction via full factorial designs. With respect to the inert structure, the incorporation of macrocapsules tended to disturb the packing of aggregates. Hence, a modified particle packing model was developed to predict the voids ratio of aggregate-capsules mixtures.

All in all, the outcome of this PhD research can serve as a guidance to understand the contribution of mix design parameters affecting the self-healing concrete properties. This potentially helps researchers and engineers to formulate their concrete mixtures for self-healing application.