Optimización en la incorporación de nanoadiciones para la mejora de sus prestaciones y durabilidad

El cemento es el material manufacturado más utilizado a nivel mundial, por lo tanto, cualquier mejora de sus propiedades y durabilidad tiene una gran repercusión tanto a nivel económico como medioambiental. Por este motivo, y desde hace más de una década, los investigadores y la industria se han centrado en sustituir parte del cemento por otras adiciones como cenizas volantes o microsílice. Estos materiales se consideran materiales suplementarios debido a su alta capacidad hidráulica y puzolánica que introduce mejoras significativas en el material resultante. Los avances tecnológicos han permitido en los últimos años la reducción de estas partículas a tamaño nanométrico. La nanosílice es uno de los materiales que más intensamente se está estudiando debido a los buenos resultados obtenidos con partículas de la misma composición de tamaño micro. Se esperaba que el tamaño tan reducido de sus partículas formara cementos aún más compactos y resistentes. Sin embargo, su elevada superficie específica hace que se aglomeren sus partículas, lo que añade un problema complementario. Además, la elevada demanda de agua para su hidratación, reduce el agua libre disponible de forma limitante, evitando que el proceso se desarrolle en proporciones normales. Para evitar esta gran demanda de agua es necesario incorporar aditivos superplastificantes. Ya que estos aditivos consiguen mantener las partículas dispersas gracias a su efecto estérico, evitando su aglomeramiento y aumentando la accesibilidad del agua. Son muchos los estudios realizados en cementos Portland convencionales, sin embargo, existe un gran desconocimiento en torno a la influencia de estos aditivos en las propiedades mecánicas e hidratación de cementos con nanosílice. El objetivo principal de esta tesis ha sido investigar la interacción de diferentes superplastificantes y cementos en los que se ha incorporado nanosílices de diferente naturaleza. Los resultados muestran que el uso de grandes cantidades de superplastificante permite la adecuada hidratación del cemento adicionado, aunque su eficacia depende en gran medida de la superficie específica y el tamaño de las partículas de nanosílice. Por otro lado, la presencia combinada de nanosílice y superplastificante involucró también modificaciones microestructurales relevantes, modificando la relación Ca/Si del gel C-S-H y la morfología y el tamaño de los cristales. Para estudiar la evolución, se han utilizado las técnicas de dTG/TG, PIM y SEM para su caracterización microestructural. Y los resultados obtenidos se han relacionado con el comportamiento mecánico de los morteros con las mismas dosificaciones. Por otro lado, para analizar las modificaciones microestructurales producidas por las diferentes nanosílices se han realizado ensayos de FTIR y 29Si RMN en geles C-S-H formados a partir solo de nanosílice. Las nanosílices con mayor superficie específica han mostrado una reacción cinética más rápida, formando geles C-S-H con cadenas cortas de tipo jenita y una alta relación Ca/Si. Las nanosílices con menor reacción cinética, han producido un gel C-S-H con una longitud de cadena más larga y, por lo tanto, más estable. Complementariamente se ha optimizado el método de cálculo de la estructura del gel C-S-H por medio de FTIR, siendo posible cuantificar la formación de estructuras jenita y tobermorita. Por último, se ha estudiado el efecto que el método de incorporación, en suspensión, en polvo y deposición, tiene en las propiedades reológicas y cinética de hidratación de los cementos con nanosílice, ya que la incorporación de nanopartículas en polvo conlleva una problemática de salubridad, siendo difícil su manejo en planta. Los ensayos han demostrado un incremento en la cantidad de aditivo adsorbido en cementos con adición de nanosílice con respecto al cemento sin adición, siendo mayor la adsorción cuanto más elevada es la superficie específica de la nanosílice. Sin embargo, dicha adsorción disminuye sensiblemente en el caso de cementos con deposición de nanosílice, requiriendo menores contenidos de aditivo con respecto a cementos donde la nanosílice se ha incorporado en suspensión o en polvo para obtener una fluidez similar. Así mismo, el uso de cementos con nanosílice depositada permite acelerar la reactividad inicial del cemento sin afectar negativamente a su grado de hidratación a edades más avanzadas, algo observado en cementos donde la nanosílice se incorpora en polvo.Cement is the most widely used manufactured material worldwide, it means that any increase in its properties and durability has a great impact both economically and environmentally. For this reason, and for more than a decade, researchers and industry have focused on replacing cementitious materials with other additions such as fly ash or silica fume. These materials are considered supplementary cementitious, materials due to their high hydraulic and pozzolanic capacity that introduces significant improvements in the resulting material. Technological advances have allowed the reduction of these particles to nanometric size in recent years. Nanosilica is one of the most intensively studied materials due to the good results obtained with micro sized particles of the same composition. It was expected that the small size of its particles would form even more compact and resistant cements. However, its the high specific surface causes its particles to agglomerate, so as a consequence of this, they demand a high amount of water for their hydration, reducing the available free water in a limiting way and preventing the process from developing in normal proportions. The way to avoid this great demand for water in the nanosilica is to incorporate superplasticizer additives. These additives manage to keep the particles dispersed thanks to their steric effect, avoiding their agglomeration and increasing the accessibility of the water. There are many studies carried out in conventional Portland cements, however, there is a great lack of knowledge about the influence of these additives on the mechanical properties and hydration of cements with nanosilica. The main objective of this thesis has been to research the interaction of distinct superplasticizers and cements in which nanosilica of a different nature has been incorporated. The results have shown that the use of large amounts of superplasticizer allowed adequate hydration of the cement added, although its effectiveness depends largely on the specific surface and the size of the nanosilica particles. Moreover, the combined presence of nanosilica and superplasticizer also involved relevant microstructural modifications, changing the Ca / Si ratio of the C-S-H gel and the morphology and size of the crystals. To study the evolution, the techniques of dTG / TG, PIM and SEM have been used for their microstructural characterization. The results obtained were related to the mechanical behaviour of mortars with the same doses. To analyse the microstructural modifications produced by the different nanosilica, FTIR and 29Si NMR tests were carried out on C-S-H Gels formed from nanosilica only. The nanosilica with greater specific surface has shown a faster kinetic reaction, forming gels C-S-H with short chains of jenita type and a high Ca / Si ratio. The nanosilica with less kinetic reaction has produced a C-S-H Gel with a longer chain length and therefore, more stable. Additionally, the method for calculating the structure of the C-S-H gel was optimized by FTIR, making it possible to quantify the formation of jennite and tobermorite structures. Finally, the effect that the method of incorporation (in suspension, powder or deposition), has on the rheological properties and kinetics of cements hydration with nanosilica, has been studied. The tests have shown an increase in the amount of additive adsorbed on cements with the addition of nanosilica in comparison with the cement without addition. The wider is the specific surface area of the nanosilica, the greater the adsorption. However, this adsorption decreases considerably in the case of cements with deposition, requiring lower contents of additive with respect to cements where the nanosilica has been incorporated in suspension or in powder to obtain a similar fluidity. Likewise, the use of cements with deposited nanosilica allows to accelerate the initial reactivity of the cement without negatively affecting its degree of hydration at more advanced ages, something observed in cements where the nanosilica is incorporated into powder