Effect of micro-encapsulated phase change materials on the mechanical properties of concrete

Resumen

Esta tesis doctoral está centrada en el estudio de las propiedades mecánicas de materiales de construcción basados en geopolímeros compuestos por cenizas volantes y escoria a los que se le incorporan materiales de cambios de fase microencapsulados (MPCM por sus siglas en inglés). Las investigaciones realizadas se enmarcan en un proyecto financiado por el Consejo de Investigación de Noruega. Se ha evaluado el efecto de estas microcápsulas tanto en estado sólido como líquido en las propiedades mecánicas y la microestructura de estos hormigones basados en geopolímeros (GPC, por sus siglas en inglés) y cemento Portland (PCC, por sus siglas en inglés). Se prepararon muestras de GPC y PCC con diferentes cantidades de MPCM, realizando curados a 20 y 40 ºC. Se registró un descenso de la resistencia a la compresión en ambos materiales, pero manteniendo valores suficientemente elevados para su uso como materiales de construcción. Las propiedades mecánicas de GPC no se vieron afectadas por la adición de MPCM ni en estado sólido (20 ºC), ni líquido (40 ºC); aunque en el caso del cemento Portland se pudo observar que las microcápsulas fundidas sí que provocaban un gran descenso en la resistencia mecánica. Se empleó la técnica de tomografía de rayos X para determinar el efecto de la porosidad de las microcápsulas tanto en las muestras de GPC como PCC. Mediante microscopía electrónica de barrido se pudo observar la formación de oquedades de aire entre las microcápsulas y la matriz de hormigón. Por otro lado, se ha desarrollado un método de diseño para las mezclas de GPC con el objetivo de maximizar la resistencia a la compresión tras la adición de MPCM. Se han utilizado dos tipos diferentes de microcápsulas para una mejor evaluación de su efecto en las propiedades de GPC. Se ha podido observar que el tiempo de fraguado de las pastas basadas en geopolímero depende tanto de la cantidad de agua adsorbida en la superficie de las microcápsulas, como de la viscosidad de las muestras, y posiblemente también de su calor latente. Al aumentar la concentración de MPCM se pudo observar que el tiempo inicial de fraguado aumentaba mientras que el tiempo final disminuía. Además, la adición de MPCM resultó disminuir tanto la trabajabilidad como la resistencia a la compresión de GPC. Estos efectos eran más pronunciados para el caso de MPCM con estructuras aglomeradas y que presentan en su superficie grupos polares que en el caso de microcápsulas con menor cantidad de aglomeración, una estructura más esférica y una superficie completamente hidrofóbica. Aunque la adición de MPCM reduce la resistencia a la compresión de GPC, después de 28 días de curado, el desempeño mecánico fue mayor que en el caso del cemento Portland. Los estudios de SEM y tomografía de rayos X sugieren que la aglomeración de microcápsulas, los espacios vacíos generados con la matriz de hormigón, el incremento de aire ocluido y la rotura de microcápsulas al aplicar esfuerzos provocan la disminución de la resistencia a la compresión de GPC. También se ha realizado un estudio del efecto de las condiciones de congelación en las propiedades mecánicas de GPC y PCC con diferentes contenidos de MPCM. Cuando las microcápsulas se añaden al hormigón, el porcentaje de pérdida de masa tras los ciclos de congelación y descongelación se ve incrementado. La adición de MPCM proporciona una excelente durabilidad a la acción de estos ciclos con una mínima repercusión en la resistencia a la compresión. Se han realizado una serie de estudios microestructurales que han revelado que estos ciclos térmicos provocan un deterioro que se puede atribuir a la aparición de microgrietas en las zonas de interfase entre la pasta/agregados y la pasta/MPCM, y también a la formación de cristales de etringita. El efecto de la temperatura en el tiempo de fraguado de estas pastas también ha sido evaluado. A 0 ºC, el tiempo inicial de fraguado de las pastas basadas en cemento Portland se ven retrasados debido a la acción de la baja temperatura y la elevada viscosidad de MPCM. Sin embargo, las pastas de geopolímero muestran un tiempo inicial más corto debido a la separación de fases de la solución alcalina a bajas temperaturas. El tiempo final disminuye con la concentración de MPCM tanto para las pastas de GPC como para las de cemento Portland. Se ha evaluado también el efecto de dos tipos diferentes de MPCM en estado líquido (40 ºC) en las propiedades mecánicas y la microestructura de GPC y PCC. A esta temperatura, tanto el tiempo final como inicial de fraguado disminuyen hasta valores muy bajos debido a la aceleración de la reacción de geopolimerización. A 40 ºC, la resistencia a la compresión de ambos materiales es lo suficientemente elevada como para mantener sus aplicaciones hormigón estructural con la adición de las microcápsulas. El estudio de la microestructura reveló un aumento de los huecos de aire presentes en GPC y PCC cuando la temperatura de curado aumenta de 20 a 40 ºC debido a la aceleración de la reacción. http://repositorio.bib.upct.es/dspace/