Evaluación de mezclas proyectadas : comportamiento y durabilidad

Abstract

Sprayed cementitious materials are widely used in the construction industry, from buildings to infrastructure. The process of construction consists of spraying a concrete mix that consolidates once it reaches the substrate. The sprayed mix must have an adequate consistency and setting time to enable the build-up of layers with proper thicknesses. To reduce the setting times and increase the early strength of the matrix, accelerators are commonly employed. These chemicals alter cement hydration, affecting the mechanical properties at short and long term.

Despite the recent advances on the field of sprayed cementitious materials, several topics still require further studies. For instance, the properties of the sprayed material depends on the cement-accelerator compatibility. Research and industrial development have focused on the improvement of accelerators, paying little attention to the improvement of cements. Moreover, few studies are found in the literature about the durability of sprayed cementitious materials with accelerator. One of the areas of concern is the external sulfate attack (ESA). The use of sulfate resistant cements might not be enough to guarantee the durability given the particular microstructure of the sprayed cementitious material and the additional content of aluminum provided by accelerators.

This study extends the knowledge in this field through the following objectives: evaluate the compatibility cement-accelerator considering the inclusion of addition gypsum and evaluate the durability of sprayed mixes exposed to ESA. The first part of the research focuses on the study of the compatibility between typical cements and accelerators applied in sprayed mixes from chemical and mechanical standpoints. The experimental campaign performed highlights the importance of a proper sulfate content in the positive evolution of the mechanical properties.

Continuing in this line, the second part of the research focuses on the influence of the gypsum content in the hydration and in the development of mechanical properties of sprayed mixtures. Results confirm that a proper addition of gypsum to the cement provides a valid and cheap extra source of sulfates for an optimum compatibility with the accelerators. Useful criteria are proposed for the design of cements and matrices specific for spraying.

The third part of the research addresses the vulnerability of sprayed mixes when exposed to an ESA. The experimental campaign performed evaluates how the cement type, the chemical composition of accelerators and the age of the initial exposition influence the behavior of sprayed mixes subjected to ESA. Based on the results obtained, the durability of the structures may be improved by selecting accelerators with smaller aluminate-to-sulfate ratios, preferably those that are alkali-free.

The fourth part of the research evaluates the behavior of sprayed mixtures with additional gypsum against the ESA. Moreover, the contamination potential of sprayed mixes with different compositions was evaluated through leaching tests. The experimental campaign performed reveals that the inclusion of gypsum in the mixtures improves the durability of the material by reducing the potential formation of secondary products in the ESA. Also, the results confirm that the additional gypsum has no negative effect in the leaching of elements.

Las proyecciones de materiales cementicios son ampliamente utilizadas en la industria de la construcción, desde edificación hasta obra civil. El proceso constructivo consiste en proyectar una mezcla de hormigón que se consolide una vez alcanzado el substrato. La mezcla debe tener una consistencia y tiempo de fraguado óptimos para ser capaz de formar capas con espesores adecuados. Para reducir el tiempo de fraguado e incrementar las prestaciones a edades tempranas, los acelerantes son comúnmente empleados en el hormigón proyectado. Estos aditivos alteran la hidratación del cemento, afectando las propiedades mecánicas a corto o largo plazo. A pesar de los recientes avances en el campo de los materiales proyectados, muchos temas aún requieren más estudios. Por ejemplo, las propiedades del material proyectado dependen de la compatibilidad cemento-acelerante. Las investigaciones y el desarrollo industrial han enfocado su esfuerzo en el mejoramiento de los acelerantes, poniendo poca atención a la mejora de los cementos. Además, pocos estudios se han encontrado acerca de la durabilidad de materiales cementicios proyectados con acelerantes. Una de las áreas a enfocar la atención es el ataque sulfatico externo (ASE). El uso de cementos sulforresistentes pueden no ser suficientes para garantizar la durabilidad, debido a la particular microestructura de las matrices proyectadas y al contenido adicional de aluminio de los acelerantes. Este estudio extiende el conocimiento en este campo a través de los siguientes objetivos: evaluar la compatibilidad cemento-acelerante considerando la inclusión de yeso adicional y evaluar la durabilidad de las mezclas expuestas al ASE. La primera parte de esta investigación se enfoca desde puntos de vista químicos y mecánicos en el estudio de la compatibilidad entre cementos típicos y acelerantes aplicados en mezclas proyectadas. La campaña experimental realizada muestra la importancia del contenido de sulfatos en la evolución positiva de las propiedades mecánicas. Continuando en esta línea, la segunda parte de esta investigación se enfoca en la influencia del contenido de yeso en la hidratación y en el desarrollo de propiedades mecánicas de mezclas proyectadas. Los resultados confirman que una óptima adición de yeso al cemento provee una barata y valida fuente de sulfato adicional para obtener una mejor compatibilidad con los acelerantes. Esto provee un criterio útil para el diseño de cementos y matrices específicas para materiales proyectados. La tercera parte de la investigación se dirige al estudio de la vulnerabilidad de mezclas proyectadas cuando están expuestas a un ASE. La campaña experimental realizada evalúa como el tipo de cemento, la composición química de los acelerantes y la edad de inicio de exposición influencia el comportamiento de mezclas proyectadas sometidas a un ASE. Basándose en los resultados obtenidos, la durabilidad de las estructuras puede ser mejorada mediante la selección de acelerantes con ratios aluminato-sulfato más pequeños, preferiblemente aquellos que son libres de álcalis. La cuarta línea de investigación evalúa el comportamiento de mezclas proyectadas con yeso adicional frente a un ASE. Además, el potencial contaminante de las mezclas proyectadas se evaluó en diferentes mezclas a través de ensayos de lixiviación. La campaña experimental realizada revela que la inclusión de yeso en las mezclas mejora la durabilidad del material mediante la reducción de una potencial formación de fases secundarias en el ASE. Además, se identifica que el yeso adicional no tiene efectos negativos en la lixiviación de elementos.