Characterization and control of wet-mix sprayed concrete with accelerators

The development of the wet-mix system and the use of the sprayed concrete as a part of the new Austrian tunnelling method (NATM) marked an increase in the use and in the structural responsibility of the material, with special importance in underground construction. Nowadays, sprayed concrete is used in many applications with clear structural responsibility and an ever-growing pressure for the use of environmentally materials is observed. To cope with these trends, new cements and accelerators are developed. The use of new materials creates a special type of sprayed concrete. Moreover, the requirement of thinner layers lead to an increase in the level of stress applied and, consequently, in the structural requirements. Also the lack of standardization in the international instructions and the poor quality control of the material are current drawbacks of the use of sprayed concrete. Therefore, it is obvious that more studies are still needed to achieve an optimized design with the new materials. The general objective of this dissertation is to provide a characterization of wet-mix sprayed concrete with new accelerators and to propose methods for the control of the material. The objective is divided in five different subjects. The first subject considered is the characterization at different levels of mixes with different types of cement and accelerators in laboratory conditions. The results obtained show the differences in behavior of several alkali-free accelerators depending on the type of cement in terms of short and long term properties. The second subject focuses on the adaptation of the UNE-EN 196:2005 for thequality control of mortar mixes with accelerators. An adapted test procedure and new limits for the statistical verification of the results were proposed in order to simplify the comparison between mixes. The third subject covers the correlation between cement paste/mortar and sprayed concrete properties. A large database is used to identify the parameters measured that present the best correlation with each other. The curves and the confident areas obtained allow the simplified estimation of the properties of sprayed concrete based on the results obtained in a small scale with cement pastes and mortars. The fourth subject concerns the indirect estimation of the modulus of elasticity of sprayed concrete using as a reference the compressive strength of the material. The suitability of the equations from different codes and instructions were evaluated showing a poor fit with the experimental results. Therefore, an empirical and a semi-analytical equation were proposed to estimate the modulus of elasticity of the sprayed concrete considering its singular characteristics. Finally, the last subject focuses on the development of an alternative control procedure at sprayed concrete level. For that, finite elements models are used to derive correlations between the calorimetric curves and the evolution of temperature of the sprayed concrete layer with different thickness and types of ground. Considering this, the maturity method is adapted to allow a continuous on site indirect estimation of the mechanical properties of the material.El desarrollo del sistema de proyección de la vía húmeda y el uso del hormigón proyectado en el nuevo método austríaco de construcción de túneles (NATM) ha marcado un incremento del uso y de la contribución estructural del material, con especial interés en la construcción subterránea. Hoy en día, el hormigón proyectado se utiliza en muchas aplicaciones con clara responsabilidad estructural, observándose una presión creciente que implica el uso de materiales sostenibles. Basándose en estas nuevas tendencias, se están desarrollando nuevos cementos y acelerantes. El uso de nuevos materiales crea un tipo especial de hormigón proyectado. Además, el requerimiento de capas más finas involucra elevar los niveles de tensión aplicadas y, en consecuencia, en las exigencias estructurales. Además, la falta de estandarización en las instrucciones internacionales y el pobre control de calidad del material son inconvenientes para el uso del hormigón proyectado. De esta manera, es obvio que se necesitan más estudios para conseguir una optimización del diseño y dosificación del hormigón proyectado con estos nuevos materiales. El objetivo general de esta tesis es caracterizar el hormigón proyectado por vía húmeda con nuevos acelerantes y proponer métodos para el control del material. El objetivo se divide en 5 temas. El primero es la caracterización a distintos niveles de dosificaciones con diferentes tipos de cemento y acelerante en condiciones de laboratorio. Los resultados obtenidos presentan las diferencias en el comportamiento de distintas mezclas con acelerantes libres de álcali dependiendo del tipo de cemento a cortas y largas edades. El segundo tema se centra en la adaptación de la norma UNE-EN 196:2005 para el control de calidad de morteros mezclados con acelerante. En este sentido, se dan los nuevos procesos de fabricación y nuevos límites estadísticos de verificación con el fin de simplificar la comparación entre mezclas estudiadas. El tercer tema trata la correlación entre las propiedades de los hormigones proyectados y las pastas de cemento y morteros. Una amplia base de datos se utiliza para identificar parámetros estudiados para medir su correlación entre el resto. Así se obtienen curvas y áreas de confianza que permiten simplificar la estimación de las propiedades del hormigón proyectado en base a los resultados obtenidos a niveles de pastas de cemento y morteros. El cuarto tema concierne la estimación indirecta del módulo de deformación del hormigón proyectado utilizando como referencia la resistencia a compresión. La estimación utilizando las ecuaciones que se encuentran en distintos códigos e instrucciones presenta mala correlación con los resultados experimentales. De este modo se presentan ecuaciones adaptadas teniendo en cuenta aspectos singulares del hormigón proyectado para ser usadas. Finalmente, se trata el desarrollo de un control de calidad alternativo a nivel de hormigón proyectado. Para eso, un MEF se utiliza para correlacionar las curvas de evolución de temperatura y las de generación de calor de las capas de hormigón proyectado con distintos espesores y tipos de suelo. Considerando esto, el método de maduración es adaptado para estimar de manera continua en el tiempo las propiedades mecánicas del material