Desarrollo de materiales con retracción compensada a partir del óxido de calcio (CaO)

Abstract

The shrinkage of concrete and the current methods to mitigate this phenomenon are mainly based on the realization of retraction joints approximately 24 hours after the mixing. These joints represent a critical point in the pavements due to the fact that they can trigger pathological processes. These processes go from the rupture of the lips of the joint to the filtration of substances that can be harmful to the concrete. The different pathologies arising from the realization of the joints, as well as the concrete cracking of the concrete have raised the use of materials with compensated shrinkage in order to reduce the number of joints and mitigate the cracks that appear in the element. In this doctoral thesis the effect of the addition of CaO to the cemetícia mixture for the realization of compensated shrinkage concretes (SCC) has been studied. The first line of research is based on the study of the chemical interaction between cement and lime, considering the variation of three main variables such as the ratio w/c, the percentage of lime added and the type of lime used. The results have shown that there is a synergy between cement and lime during hydration, as well as competition during the hydration of CaO with some of the phases present in the cement. Likewise, the addition of lime modifies the setting times of the different mixtures studied, generating mixtures that set in a shorter time than a cement paste without the addition of lime. The second line of research has shown the impossibility of measuring the expansion process that occurs in this type of material during the first 24 hours after mixing by using standardized tests. The obtained results indicate that both the process of expansion and the generation of tensions occur, mainly, during this period of time. Due to this fact it has been necessary to propose new tests in order to characterize both processes. The method of the mixed mould has allowed to determine the influence of the addition of lime in mortars. Thus, maximum values of deformation generated by this addition have been obtained, as well as the stress values that these materials can achieve. In most cases it has been observed that the stress obtained is higher than that proposed in the literature. Any damage has been observed in the hardened specimen despite the stress values accomplished. The third line of research has given rise to a simplified numerical model in which the expansion and stress curves generated by the material have been modelled since the few minutes after the mixtures. Through the application of the model it has been established that not all the added lime generates effective expansion in the material. Part of it is damped by hydrating in a plastic material. On the other hand, when introducing the deformation curve for the calculation of the tension generated in the real tests, a second damping has also been observed. This shows that the tension of the material cannot be obtained by direct multiplication of the deformation by the elastic module. In order to obtain de stress value is necessary to introduce a damping factor in the equation. Finally, the real experiences carried out, mainly in slab-type elements, have allowed to observe the real behavior of the mixture in a situation of non-control of the production system of the mixture, as well as during transportation and dumping. No incompatibilities have been found between lime and the use of conventional reinforcement or fibers. On the other hand, the compression tests show that the concretes with the addition of lime are more resistant than the reference ones without lime.

La retracción del hormigón y los métodos actuales para mitigar este fenómeno se basan principalmente en la realización de juntas de retracción a las 24 horas, aproximadamente, del amasado de la mezcla. Estas juntas representan un punto crítico en los pavimentos debido a que pueden llegar a desencadenar procesos patológicos que van desde la rotura de los labios de la junta hasta la filtración de sustancias perjudiciales para el hormigón. Las distintas patologías surgidas de la realización de las juntas, así como de la fisuración propia del hormigón han planteado el uso de materiales con retracción compensada para poder reducir la cantidad de juntas y mitigar las fisuras que aparecen en el elemento. En esta tesis doctoral se ha estudiado el efecto de la adición de CaO a la mezcla cemetícia para la realización de hormigones de retracción compensada (HRC). La primera línea de investigación se ha basado en el estudio a nivel de interacción química entre el cemento y la cal, contemplando la variación de tres variables principales como son la relación a/c, el porcentaje de cal añadido y el tipo de cal usado. Los resultados han evidenciado que existe una sinergia entre el cemento y la cal durante su hidratación, así como una competencia durante la hidratación del CaO con algunas de las fases presentes en el cemento. Así mismo, la adición de cal modifica los tiempos de fraguado de las distintas mezclas estudiadas, generando mezclas que fraguan en un tiempo menor al de una pasta de cemento sin adición de cal. La segunda línea de investigación ha dejado patente la imposibilidad de medir el proceso de expansión que se da en este tipo de materiales durante las primeras 24 horas posteriores al mezclado mediante ensayos normalizados. Los resultados obtenidos indican que tanto el proceso de expansión como el de generación de tensiones se dan, principalmente, durante este período de tiempo, por lo que ha sido necesario plantear nuevos ensayos de diseño propio para poder caracterizar ambos procesos. El método del molde mixto ha permitido determinar la influencia de la adición de cal en morteros. Así se han obtenido valores máximos de deformación generada por esta adición, así como los valores de tensión que estos materiales son capaces de alcanzar. En la mayoría de los casos se ha observado que la tensión obtenida es superior a la propuesta en la bibliografía, sin que se observaran daños en la probeta endurecida. La tercera línea de investigación ha dado lugar a un modelo numérico simplificado en el que se han modelizado las curvas de expansión y tensión generadas por el material desde los pocos minutos posteriores al amasado. Mediante la aplicación del modelo se ha establecido que no toda la cal añadida genera expansión efectiva en el material, sino que parte de esta queda amortiguada por hidratarse en un medio plástico. Por otra parte, al introducir la curva de deformación para el cálculo de la tensión generada en los ensayos reales se ha observado, igualmente, un segundo amortiguamiento. Esto pone de manifiesto que no puede obtenerse la tensión del material por la multiplicación directa de la deformación por el módulo, sino que es necesario introducir un factor de amortiguamiento en la ecuación. Finalmente, las experiencias reales llevadas a cabo, principalmente en elementos tipo losa, han permitido observar el comportamiento real de la mezcla en una situación de no control del sistema de producción de la mezcla, así como durante el transporte y vertido. No se han encontrado incompatibilidades entre la cal y el uso de armado convencional o de fibras. Por otra parte, los ensayos de resistencia muestran que los hormigones con adición de cal son más resistentes que los que los de referencia sin cal.