Influencia de la composición de distintos hormigones en los mecanismos de transporte de iones agresivos procedentes de medios marinos

La mayoría de las estructuras de hormigón en el ambiente marino muestran signos de degradación debido a la agresividad química de los constituyentes del agua de mar sobre los productos de hidratación del cemento, en especial al sulfato y al magnesio, así como a la corrosión de las armaduras en la presencia de cloruros. Los medios por los cuales los iones penetran en el hormigón son complejos y dependen en gran medida de las condiciones del material, especialmente en el momento de la exposición. Para describir los procesos que intervienen en la degradación del hormigón es imprescindible estudiar los diferentes tipos de mecanismos de transporte en el seno del mismo, junto con los efectos de las interacciones entre los iones presentes en el agua de mar y los productos de la hidratación del cemento. El objetivo principal de esta tesis ha sido estudiar el comportamiento de un cemento resistente a sulfatos con adiciones minerales y el de un cemento de escoria en comparación con el que tiene un cemento portland resistente a sulfatos. Se ha estudiado la evolución mecánica y durable de los mismos en ambientes agresivos que contienen cloruros, sulfatos y magnesio presentes también en medios marinos. El fin primordial con el que se planteó era intentar establecer una relación entre la microestructura, la porosidad y la permeabilidad, sobre la que fundamentar la utilización de estos parámetros, junto con otros factores, además de la resistencia, como criterios a considerar en el diseño de una mezcla adecuada de la que resulte un hormigón durable para usar en este ambiente. El uso de cementos que contienen adiciones minerales tales como escoria de alto horno, cenizas volantes y humo de sílice tienen un papel importante en la durabilidad de hormigones expuestos a ambientes marinos. En este trabajo se ha diseñado una amplia campaña experimental con cuatro dosificaciones diferentes de hormigón para estudiar la influencia de las principales adiciones utilizadas en este medio. Los hormigones fueron dosificados con una relación agua/material cementicio de 0,45 y ensayados a edades de 7, 28 y 91 días. El efecto de las distintas adiciones minerales (humo de sílice, cenizas volantes y escoria de alto horno) se analizó por medio de análisis térmico diferencial (DTA), difracción de rayos X (DRX), porosimetría por intrusión de mercurio (MIP), permeabilidad a los gases, difusión de iones (cloruro, sulfato y magnesio), así como las propiedades mecánicas del hormigón (resistencia a compresión, resistencia a tracción y módulo de elasticidad). Para simular la agresividad del medio marino los hormigones se sumergieron en disoluciones conteniendo cloruro sódico, sulfato sódico y sulfato magnésico respectivamente con una concentración de 1 molar. Posteriormente se evalúa su comportamiento a distintas edades de exposición: 6, 12 y 18 meses. Además en este trabajo se ha desarrollado un modelo numérico para simular la difusión de los iones agresivos (cloruros y sulfatos) en el hormigón. Este modelo se basa en una solución de la ecuación de difusión-reacción que es alimentada por parámetros relativos a la dosificación, composición del material y estructura porosa. Se trata pues de un modelo de carácter predictivo que pueda anticipar los daños en el material. Los datos obtenidos en todas las dosificaciones estudiadas han mostrado que el comportamiento mecánico y la capacidad de transporte de fluidos en el hormigón vienen determinados por la estructura porosa del material. También se ha observado que la incorporación de la adición de humo de sílice, cenizas volantes y escoria de alto horno al hormigón, mejoran sus propiedades mecánicas, la resistencia a la penetración de los iones cloruros y la estructura porosa. La utilización de cementos resistentes a sulfatos (I 42,5 R/SR y III/B 42,5 L/SR) en el hormigón, han mejorado las propiedades mecánicas, la permeabilidad al gas y la resistencia a la penetración de los iones sulfato y magnesio. Los resultados numéricos de difusión de iones cloruros y sulfatos obtenidos a partir del modelo se han comparado con los obtenidos experimentalmente en este estudio, obteniendo una buena correlación. De esta forma el modelo puede ser de utilidad para predecir la penetración de cloruros y sulfatos con el tiempo, siendo posible utilizarlo de base para buscar una calidad adecuada del hormigón a utilizar en ambiente marino sumergido.ABSTRACT A vast majority of concrete structures in marine environment shows signs of degradation due to aggressive chemical constituents of seawater on the cement hydration products, especially sulfate and magnesium, and the corrosion of the reinforcement in the presence of chlorides. The means by which ions penetrate the concrete are complex and depend on a large extent of conditions of the material, especially at the time of exposure. The description of the processes involved in the degradation would require studying the different types of transport mechanism inside the material, together with the effects of interactions between ions in seawater and the products of cement hydration. The main aim of this thesis was to study the behavior of sulfate resistant cement with mineral additions and slag cement compared to sulfate resistant cement. We have studied their mechanical and durable evolution in aggressive environments containing chloride, sulfate and magnesium, which are also present in marine environments. The primary purpose with the one that was designed to establish a relationship between the microstructure, porosity and permeability, and to support accounting for these parameters to other factors besides strength, as criteria to be considered in mix design to achieve a durable concrete. The use of blended cements incorporating materials such as blast furnace slag, fly ash or silica fume have an important role in the long-term durability of concrete exposed to marine environments. In this work we have designed an experimental campaign with four different dosages of concrete to study the influence of the principal additions used in marine environments. The concretes were prepared with the water– cementitious material ratio of 0.45 and tested at ages of 7, 28 and 91 days. The effect of material composition [Sulfate Resistant Portland Cement (CPRS), Blast Furnace Slag Portland Cement (EHA), Silica Fume (HS) and Fly Ash (CV) with four different mix designs] was performed by means of differential thermal analysis (DTA), X - ray diffraction (XRD), mercury intrusion porosimetry (MIP), gas permeability, chloride, sulfate and magnesium diffusion and mechanical properties of concrete. The experimental procedure presented gives reliable information to evaluate the homogeneity of different concretes in terms of air permeability. To simulate the aggressiveness of the marine environment of concrete were immersed in solutions containing sodium chloride, sodium sulfate and magnesium sulfate, with 1 molar concentration. Their behaviour was evaluated at different exposure ages 6, 12 and 18 months. Also in this work, we developed a numerical model to simulate the diffusion of aggressive ions (chlorides and sulfates) in concrete. This model is based on a numerical solution of the diffusion-reaction equation which is input by parameters related to the dosage, composition and pore structure of material. Therefore, it is a predictive model that can anticipate the material damage. The results that we obtained of all examined concrete showed that the mechanical and fluid transport capacity, are determined by pore structure of the material. It was also noted that the incorporation of silica fume, fly ash and blast furnace slag in concrete, improved its mechanical properties, resistance to chloride ion penetration and the pore structure. Utilization of sulfate resistant cements (I 42.5 R/SR and III / B 42.5 L/SR) in concrete, improved the mechanical properties, gas permeability and resistance to penetration of sulfate and magnesium ions. The numerical results of diffusion chloride and sulfate ions which obtained from the model have been compared with the experiment results in this study, we observed that the model achieved a good approximation for assay registers. Thus the model can be useful to predict the penetration of chloride and sulfate ions with the time, being possible to use it as a base to look for a suitable quality of the concrete to be used in submerged marine environment