Caracterización de la recuperación de las propiedades mecánicas en hormigones autosanables. Aplicación práctica en una nave industrial en Benifaió, Valencia. Memoria Trabajo final de grado – Tipo II Grado en Ingeniería de obras Públicas Curso: 2016/17 Autor: Laura Rubio Garde Tutor: Pedro Serna Ros Tutora Experimental: Marta Roig Flores Valencia, junio de 2016 1 Índice Índice ............................................................................................................................................. 2 Capítulo 1. Introducción ................................................................................................................ 4 1.1 Introducción ......................................................................................................................... 4 1.2 Objetivos .............................................................................................................................. 4 1.3 Estructura del documento .................................................................................................... 5 Capítulo 2. Estado del arte ............................................................................................................ 6 2.1 Introducción ......................................................................................................................... 6 2.2 El fenómeno del Autosanación (Self-Healing) .................................................................... 8 2.2.1 Autosanación en la naturaleza ....................................................................................... 8 2.2.2 Definiciones de Autosanación (Self-Healing) .............................................................. 8 2.3 Sanación Autógena (Autogenous Healing) ....................................................................... 10 2.3.1 Mecanismos de la Sanación Autógena ....................................................................... 10 2.3.2 Potenciación de la sanación autógena ......................................................................... 15 2.3.3 Resumen sobre la sanación autógena .......................................................................... 20 2.4 Sanación Autónoma (Autonomous Self-Healing) ............................................................. 21 2.4.1 Clasificación y métodos de sanación autónoma.......................................................... 21 2.4.2 Métodos de introducción ............................................................................................. 22 2.4.3 Agente sanador y catalizador ...................................................................................... 24 2.4.4 Resumen sobre la sanación autógena. ......................................................................... 36 2.5 Métodos de evaluación de la recuperación de las capacidades mecánicas ........................ 37 2.5.1 Conceptos previos sobre hormigón reforzado con fibras ............................................ 37 2.5.2 Método según borrador del CEN/TC 104 N 1404 ...................................................... 39 2.5.3 Metodología según investigaciones de Liberato Ferrara ............................................ 42 2.5.4 Metodología según investigaciones de S. Z. Qian, J. Zhou y E. Schlangen ............... 45 2.5.5 Conclusiones ............................................................................................................... 45 Capítulo 3. Fase experimental ..................................................................................................... 46 3.2 Programa experimental ...................................................................................................... 46 3.3 Fabricación de los hormigones .......................................................................................... 49 3.3.1 Materiales .................................................................................................................... 49 3.3.2 Dosificación ................................................................................................................ 59 3.3.3 Proceso de fabricación ................................................................................................ 62 3.4 Ensayos de caracterización de los hormigones .................................................................. 67 3.4.1 Ensayo de control sobre hormigón fresco ................................................................... 67 3.4.2 Ensayo de control sobre hormigón endurecido ........................................................... 69 2 3.4.3 Ensayo a flexotracción según UNE-EN modificado ................................................... 70 3.5 Estudio de la capacidad de autosanación (Self-Healing) ................................................... 74 3.5.1 Metodología del ensayo de flexión a 3 puntos ............................................................ 76 3.5.2 Metodología para el cálculo de resultados. ................................................................ 81 Capítulo 4. Resultados y discusión ............................................................................................. 86 4.1 Resultados de ensayos de caracterización ......................................................................... 86 4.1.1 Ensayos de consistencia .............................................................................................. 86 4.1.2 Ensayos de compresión ............................................................................................... 87 4.1.3 Ensayo de caracterización de los hormigones con fibras a flexotracción ................... 91 4.1.4 Conclusiones ............................................................................................................... 93 4.2 Resultados de los ensayos para la evaluación de la sanación (SH) ................................... 94 4.2.1 Resultados para la carga pico ...................................................................................... 94 4.2.2 Resultados del cálculo de pendientes .......................................................................... 95 4.2.3 Evaluación de la sanación (SH) ................................................................................ 107 4.2.4 Conclusiones sobre la sanación de las fisuras ........................................................... 112 Capítulo 5. Aplicación práctica ................................................................................................. 114 5.1 Introducción ..................................................................................................................... 114 5.2 Localización..................................................................................................................... 114 5.3 Descripción ...................................................................................................................... 115 5.4 Suposición de reparación de las fisuras ........................................................................... 119 5.5 Alternativa de introducción de aditivos cristalinos en el hormigón ................................ 120 5.6 Comparación económica ................................................................................................. 121 5.7 Conclusiones .................................................................................................................... 121 Capítulo 6. Conclusiones y futuras líneas ................................................................................. 122 6.1 Conclusiones .................................................................................................................... 122 6.2 Futuras líneas ................................................................................................................... 122 Referencias ................................................................................................................................ 124 Anejo ......................................................................................................................................... 128 3 Capítulo 1. Introducción 1.1 Introducción La sostenibilidad es un factor que cada vez cobra más importancia en la sociedad debido a la limitación de recursos. Con los avances tanto en la investigación, como en la obtención de materiales de muy altas calidades y prestaciones y la mejora en los procesos de fabricación de los productos, la sociedad avanza hacia materiales y procesos capaces de superar los límites establecidos hasta ahora, tanto en términos de vida útil, como en prestaciones. Un ejemplo de ello es la obtención de materiales inteligentes. Esta tendencia se ha arraigado también en el ámbito de la construcción debido a la necesidad de obtener estructuras seguras, duraderas y sostenibles. Sin embargo, las estructuras de hormigón (tipología más utilizada en España) suelen presentar patologías a lo largo de su vida útil que pueden comprometer estos objetivos y cuya reparación puede suponer grandes costes. Todos estos factores hacen que en el ámbito de la construcción se estén realizando investigaciones con la finalidad de obtener materiales inteligentes capaces de sanar estas patologías, prolongando su vida útil y reduciendo costes de mantenimiento. Es el caso de los materiales autosanables y más en concreto de los hormigones autosanables. La autosanación consiste en la recuperación de propiedades por parte del material de forma autónoma. Algunos autores diferencian entre autosanado y autorreparación, siendo la primera la recuperación de la resistencia, rigidez e impermeabilidad y la segunda sólo la recuperación de la impermeabilidad. Sin embargo, el término autosanado se suele utilizar para referirse a ambos procesos indiferentemente. Para conseguir el autosanado del hormigón, se ha investigado desde la introducción en su matriz de aditivos hasta la de bacterias y se espera que en un futuro se puedan aplicar estas técnicas al hormigón estructural. La obtención de este hormigón autosable sería de especial interés en estructuras enterradas o de difícil acceso (como tuberías o cimentaciones), estructuras diseñadas para una vida útil elevada (presas o túneles), así como estructuras que requirieran una buena impermeabilización. En este documento se analiza uno de los métodos desarrollados en los últimos años para el diseño de hormigones autosanables: los aditivos cristalinos. 1.2 Objetivos El objetivo general de este proyecto es estudiar la recuperación de las propiedades mecánicas en hormigones autosanables con aditivos cristalinos. Los objetivos específicos son:  Diseño de una metodología experimental para la evaluación de la recuperación de propiedades mecánicas debidas a la sanación autógena y a la autónoma mediante ensayos de flexión.  Evaluar la influencia del daño inicial en la autosanación, dependiendo de la abertura de fisura inicial. 4  Evaluar la influencia de la cantidad de cemento en la capacidad de autosanado del hormigón.  Evaluar la influencia de la cantidad de fibras en la sanción del hormigón.  Comparación de la sanación autógena de cada hormigón con la autónoma conseguida gracias al uso de aditivos cristalinos.  Evaluar el uso de aditivos cristalinos como potenciadores de la sanación del hormigón. La idea principal se centrará en el desarrollo de la metodología y la verificación de la efectividad del uso de los aditivos cristalinos, y por otra parte, en la detección de una forma cualitativa de si el fenómeno de autosanación llega a ser viable desde el punto de vista mecánico. 1.3 Estructura del documento Este documento está organizado en 6 capítulos: - Capítulo 1 es un capítulo introductorio donde se explican los objetivos y la estructura del documento. - Capítulo 2 recopila las investigaciones realizadas hasta la actualidad que se han considerado más relevantes sobre el autosanado del hormigón y los diferentes métodos para evaluar la recuperación de propiedades mecánicas. - Capítulo 3 incluye los objetivos específicos y describe el programa experimental y la metodología seguida en este proyecto para evaluar la autosanación del hormigón. - Capítulo 4 expone los resultados de los ensayos realizados tanto de control como para evaluar la recuperación de propiedades mecánicas del hormigón. - Capítulo 5 se desarrolla la aplicación práctica. - Capítulo 6 se exponen las conclusiones y las futuras líneas de investigación. 5 Capítulo 2. Estado del arte 2.1 Introducción El hormigón es el material más utilizado en el sector de la construcción por su elevada resistencia, su versatilidad, la economía que presenta frente a otros materiales, su estabilidad y su facilidad de puesta y manejo en obra. Sin embargo, su resistencia a tracción es aproximadamente el 10% de su resistencia a compresión por lo que es necesario suplir esa carencia de resistencia introduciendo en el hormigón barras o fibras de acero. Aún con esta ayuda, el hormigón es propenso a la aparición de fisuras que, ya sean fisuras por variaciones térmicas, por variaciones de humedad o por un exceso de carga, pueden suponer un acceso a la matriz del hormigón de líquidos y gases potencialmente agresivos presentes en el ambiente y una reducción de la rigidez y la resistencia de la estructura debido a la reducción de su sección resistente. Generalmente, pequeñas fisuras en servicio son comunes y no suelen suponer grandes inconvenientes, pero hay situaciones en las que la aparición de una fisura puede ser muy problemática. Un ejemplo de esto son las estructuras con niveles de seguridad muy elevados, donde la fisuración puede significar la pérdida de resistencia del hormigón y la corrosión de las armaduras o los problemas de estanqueidad que pueden surgir en estructuras donde esta característica es importante. Estos efectos de las fisuras sobre ciertas estructuras pueden llevar a la interrupción o incluso paralización del servicio de la estructura acortando su vida útil o incluso a su completa degradación y colapso con el riesgo que ello conlleva. Es por tanto necesaria la actuación sobre estas fisuras, sin embargo muchas veces tanto la detección de ellas como su posterior reparación es dificultosa debido a que se encuentran en zonas no visibles o poco accesibles de la estructura y que además, pueden ser las más peligrosas (como en el caso de las cimentaciones). Además, en algunas situaciones estas reparaciones pueden llegar a suponer un elevado coste directamente (dado a su intensidad) o indirectamente por la paralización de actividades económicas a las que la infraestructura estaba destinada. La propuesta de hormigones autosanables nace por tanto como respuesta a la necesidad de que el hormigón cierre fisuras de la forma más económica, segura, duradera y ecológica posible. La calificación de hormigón autosanable es relativamente reciente pero no lo es su capacidad pues por sí mismo el hormigón convencional tiene mecanismos para cerrar sus microfisuras debido a las propiedades que presenta su matriz. Comúnmente se ha considerado que las primeras observaciones de este fenómeno se realizaron en 1836 por la Academia Francesa de la Ciencia [1]. Posteriormente muchos autores han tratado de encontrar evidencias científicas a este proceso, entre ellos Edvardsen quien realizó un completo estudio sobre estas deposiciones de carbonatos. [2] Esta sanación que presenta el hormigón sin intervención alguna nada más que por los componentes de su matriz y siempre en presencia del agua, se denomina Sanación Autógena (Autogenous Healing) [3] [4] y está basada fundamentalmente en la continua hidratación de las partículas sin hidratar del clínker y en la carbonatación y posterior deposición de los óxidos de calcio presentes en el hormigón. 6 Sin embargo, esta capacidad de autosanado intrínseco del hormigón es poco fiable e insuficiente para solucionar los problemas de fisuras que surgen durante la vida útil de las estructuras de hormigón, por lo que se ha abierto una línea de investigación para conseguir mejorar y potenciar estos mecanismos naturales que presenta el hormigón mediante el uso de aditivos y otros productos, de forma que el hormigón autosanable pueda ser una alternativa a la reparación. En este capítulo, el Estado del Arte, se abordarán los estudios que se consideran más influyentes y relevantes sobre la autosanación del hormigón hasta la actualidad. 7 2.2 El fenómeno del Autosanación (Self-Healing) 2.2.1 Autosanación en la naturaleza En la naturaleza se pueden encontrar materiales que diariamente emplean sus propiedades de autosanación. Es el caso de la piel, la concha de los caracoles o los huesos. En el caso de los huesos, su comportamiento es anisótropo, viscoelástico y al igual que el hormigón, presenta mayor resistencia a los esfuerzos de compresión que a los esfuerzos de tracción [5]. Durante su vida el hueso presenta un equilibrio entre las células que degradan y reabsorben el hueso viejo (osteoclastos) y las que crean, mantienen y reparan el hueso (osteoblastos). Sin embargo, cuando el hueso está sometido a una tensión mayor que su resistencia y se produce su rotura hay un desequilibrio que para el ciclo normal de actuación de estas células y se dan una serie de reacciones cuya consecuencia es el sanado de la fractura de una forma rápida y eficaz. Este sanado se produce únicamente mediante los mecanismos que genera el cuerpo, a partir de un catalizador que es la rotura y tendrá como resultante el sellado de la fractura con nuevo material óseo, dotando al hueso sanado de la misma rigidez y resistencia que tenía antes de dañarse. Al igual que muchos inventos se han inspirado en procesos presentes en la naturaleza, el objetivo del hormigón autosanable es que sea capaz de imitar un comportamiento semejante al del hueso: que sea capaz de generar un material que reemplace el dañado y además que su conjunto recupere las propiedades que le eran inherentes antes de que se produjera el daño. 2.2.2 Definiciones de Autosanación (Self-Healing) Como se ha introducido ya anteriormente, el hormigón también tiene la capacidad de sanar sus fisuras por sí mismo a causa de diferentes mecanismos que se expondrán en el capítulo 3.1 “Mecanismos de la Sanación Autógena” de este proyecto. Este proceso llamado Autosanado o Self-Healing / Repairing se define por el Japan Concrete Institute (en adelante JCI) [1] como un “proceso de relleno y sellado de las fisuras que automáticamente tiene lugar “in situ” y no es resultado de ningún trabajo exterior”. El Autosanado (Self-Healing / Repairing) del hormigón según la definición del JCI puede clasificarse en Sanado Autógeno (Autogenous Healing) y Sanado Diseñado (Engineered Healing) (ver Figura 1). Figura 1. Diagrama de Venn de tipos de autosanado según JCI TC-075B. 8 En cambio, The RILEM Technical Committee 221-SHC (Self-Healing phenomena in cement- based materials) [4] lo define de la siguiente forma: “Cualquier proceso hecho por el propio material que suponga la recuperación y por consiguiente la mejora de su funcionamiento después de una acción que haya causado la reducción de su rendimiento”. Clasifican así mismo el proceso de Autosanación en dos subprocesos diferenciados: Sanación Autogénica (Autogenic Healing) y Sanación Autónoma (Autonomous Healing). Para ambas definiciones, este proceso puede estar basado en la capacidad que tiene el propio hormigón sin ningún aditivo o adición para producir la sanación de las fisuras (a lo que se llama como Sanación Autógena) o en la incorporación al hormigón de productos para potenciar este efecto (sanación Autónoma o Diseñada). La Sanación Autógena del hormigón ha sido definida, a su vez, de diferentes formas por diversos autores, como se expone a continuación: - RILEM Technical Committee 221-HSC [4]: “Se habla de un proceso de sanado autógeno cuando el proceso de recuperación de propiedades usa materiales que podrían estar presentes aún cuando no se hubiera diseñado el material específicamente para el autosanado o Self-Healing”. - JCI Technical Committee on Autogenous Healing in Cementitious Materials (JCI 2009): “Proceso natural de relleno y sellado de las fisuras sin operaciones ni trabajos externos”. - ter Heide [6] asegura que “Autogeno” enfatiza que el hormigón sana sin ninguna ayuda exterior. En este caso la Sanación Autógena es un proceso de relleno y sellado que se da de forma natural en las fisuras. Este proceso resulta de algunas reacciones químicas (por ejemplo la hidratación y la carbonatación) o el bloqueo mecánico en las caras de la fisura en el hormigón y materiales cementosos. En cambio, la Sanación Autonóma es la sanación de las fisuras que se genera por el uso de adiciones en el hormigón. Estas adiciones como cenizas volantes o agentes expansivos se colocan con antelación de forma intencionada en la matriz de hormigón. Varios autores diferencian entre autosanación y autosellado, siendo la autosanación la recuperación de las propiedades mecánicas y el autosellado la recuperación de la impermeabilidad. Teniendo en cuenta los criterios anteriores, la autosanación o Self-Healing se podría definir como un proceso mediante el cual el hormigón fisurado es capaz de generar mecanismos que rellenen las fisuras de forma que el conjunto recupere las propiedades aislantes y las capacidades mecánicas que tenía antes de fisurarse. Estos mecanismos pueden ser resultado de los componentes propios del hormigón o de una adición específicamente añadida a la matriz para producir la sanación. 9