Accelerated cementitious matrices : hydration, microstructure and mechanical strength

Abstract

Sprayed concrete is widely used as structural support for the stabilization of tunnel walls and underground constructions. The performance of sprayed cementitious matrices containing accelerators is strongly related to their mechanical properties at early and late ages. In practice, this is the main parameter that governs their mix design and applicability. Mechanical strength development results from the combination of several factors associated with mix composition, application method and microstructure of the matrix. The compatibility between cement and accelerator is one of the most important parameters that control kinetics of hydration and the rate of mechanical strength gain. The spraying process also needs to be taken into account, since it leads to faster reaction rates and directly affects the porosity of the matrix. Although the sprayed concrete technology advanced considerably over the past years, questions continue to arise regarding its performance, efficient use and optimized mix design. One of the main subjects that requires further research is the characterization of the early age hydration behavior of accelerated cementitious matrices. The influence of accelerator reactions on the mechanical properties of the matrix at short and long term and the influence of spraying on kinetics of hydration also need to be evaluated. In this context, a study covering these demands is proposed in this doctoral thesis. The first subject contemplates the characterization of the kinetics and mechanisms of hydration and the microstructure development of accelerated cement pastes. The early age hydration behavior of different mix composition was analyzed and compared. Results obtained allowed the elucidation of the main chemical processes occurring during accelerator reaction and further cement hydration and their influence on the microstructure of the matrix. The second subject comprises the parametrization of the early age hydration behavior of cement pastes containing accelerators. The main chemical properties of cements and accelerators were evaluated, explaining their influence on accelerator reactivity and on cement hydration. By doing so, the mix design of accelerated cementitious matrices may be optimized and unpredictable hydration reactions and their consequences may be avoided. The third subject deals with the characterization of the setting and hardening processes of accelerated cementitious matrices by ultrasound measurements. This subject was proposed because the current standard methods to characterize early strength evolution are discontinuous and have a limited application range. By using the ultrasound technique, a more complete characterization of the evolution of mechanical properties of the matrix was assessed. The fourth subject aims at evaluating how spraying affects accelerator reactivity and further cement hydration. A small-scale spraying equipment was used to simulate real life applications of sprayed concrete. A significant influence of the mixing process on reaction rates and on microstructure of the matrix was observed. The last subject of this thesis focuses on the evaluation of how accelerated hydration reactions influence the mechanical strength development of the matrix. The main chemical processes influencing the mechanical properties at early and late ages were determined. Results provided the characterization of the mechanical performance of sprayed materials based on their chemical composition, in order to improve their mix design and quality control.

El hormigón proyectado es ampliamente utilizado como soporte estructural para la estabilización de túneles y construcciones subterráneas. El desempeño de mezclas cementicias que contienen acelerantes está fuertemente relacionado con sus propiedades mecánicas a cortas y largas edades. En la práctica, este es el principal parámetro que gobierna su diseño y aplicabilidad. El desarrollo de resistencia mecánica resulta de la combinación de diversos factores asociados al diseño de la mezcla, método de aplicación y microestructura de la matriz. La compatibilidad entre cemento y acelerante es uno de los parámetros más importantes que controla la cinética de hidratación y la velocidad de ganancia de resistencia mecánica. El proceso de proyección también debe de ser considerado, puesto que la velocidad de mezcla influye en la cinética de reacción y afecta la porosidad de la matriz. A pesar de que la tecnología del hormigón proyectado haya avanzado considerablemente durante los años pasados, cuestiones relacionadas a su desempeño, uso eficiente y diseño optimizado siguen surgiendo. Uno de los temas que requiere investigación es la caracterización de la hidratación a cortas edades de mezclas cementicias aceleradas. La influencia de las reacciones causadas por el acelerante en las propiedades mecánicas de la matriz a corto y largo plazo y la influencia de la proyección en la cinética de hidratación también necesitan ser evaluados. En este contexto, un estudio que engloba estas demandas es propuesto en esta tesis doctoral. El primer tema planteado es la caracterización de la cinética, de los mecanismos de hidratación y de la microestructura de pastas de cemento aceleradas. La hidratación a cortas edades de diferentes mezclas cementicias fue analizada y comparada. Los resultados obtenidos permitieron la elucidación de los procesos químicos que ocurren durante la reacción del acelerante y en la posterior hidratación del cemento, analizando su influencia en la microestructura de la matriz. El segundo tema comprende la parametrización de la hidratación a cortas edades de pastas de cemento con acelerantes. Las principales propiedades químicas de los cementos y acelerantes fueron evaluadas, justificando su influencia en la reactividad del acelerante y en la hidratación del cemento. Por lo tanto, el diseño de mezclas aceleradas puede ser optimizado y reacciones de hidratación imprevistas y sus consecuencias pueden ser evitadas. El tercer tema trata de la caracterización de los procesos de fraguado y endurecimiento de mezclas cementicias aceleradas por medidas de ultrasonido. Este tema fue propuesto porque los métodos actuales para caracterizar la evolución de resistencia a corta edad son discontinuos y tienen un rango limitado para su realización. Utilizando la técnica de ultrasonidos, se puede obtener una caracterización más completa del desarrollo de propiedades mecánicas de la matriz. El cuarto tema tiene como objetivo evaluar como el proceso de proyección afecta la reactividad del acelerante y la posterior hidratación del cemento. Un equipo de proyección de pequeña escala fue utilizado para simular aplicaciones de hormigón proyectado en escala real. Una influencia significativa del método de mezcla en las velocidades de reacción y en la microestructura de la matriz fue observada. El último tema de esta tesis enfoca la evaluación de como reacciones de hidratación aceleradas influyen en el desarrollo de resistencia mecánica de la matriz. Los procesos químicos principales que afectan las propiedades mecánicas a cortas y largas edades fueron determinados. Los resultados obtenidos proporcionan la caracterización del desempeño mecánico de materiales proyectados basado en su composición química, con el objetivo de optimizar su diseño y control