Elaboration et caractérisation de ciments géopolymères à base de scories volcaniques

Two types of volcanic ashes referenced as ZD (volcanic ashes from Djoungo) and ZG (volcanic ashes from Galim) were collected from two Cameroonian localities. They were characterized (chemical and mineralogical compositions, amorphous phase content, particle size distribution and specific surface area) and used as raw materials for the synthesis of geopolymer cements at ambient temperature of laboratory (24 ± 3 °C). The synthesized products were characterized by determining their setting time, linear shrinkage and compressive strength, X-ray Diffraction, Fourier Transform Infrared Spectroscopy and Scanning Electron Microscopy. The mineralogical composition, the amorphous phase content, the particle size distribution, the specific surface area of the volcanic ashes as well as the mass ratio of the alkaline solution (sodium silicate / sodium hydroxide) were the main parameters which influenced the synthesis of geopolymers with interesting characteristics at ambient temperature (24 ± 3 °C). The volcanic ashes (ZD) whose mineralogical composition contained anhydrite, low amorphous phase content and low specific surface area led to long setting times. Moreover, its products swelled and presented cracks due to the formation of ettringite and these resulted in low compressive strengths (7 to 19 MPa). The volcanic ashes (ZG) containing high amounts of amorphous phase and high specific surface area led geopolymers with setting times between 490 and 180 minutes and compressive strength between 7 and 50 MPa at ambient temperature of laboratory. The properties of geopolymers were improved when elaborated with a mixture of volcanic ashes and metakaolin (ZD–MK and ZG–MK). For geopolymers obtained from ZD–MK, the setting time was between 500 and 160 minutes while it was between 220 and 125 minutes for geopolymers obtained from ZG–MK. The compressive strength greatly increased between 23 and 68 MPa and 39 and 64 MPa for geopolymers obtained from ZG –MK and ZD–MK respectively. A comparative study of the properties of mixtures of metakaolin–alumina and volcanic ash–alumina based geopolymers shows that metakaolin is a good source of Al2O3 and SiO2 and which highly reactive with alkaline solution and produces geopolymers with better characteristics compared to volcanic ash based–geopolymer. The properties of volcanic ash–based geopolymer were also improved when amorphous alumina was incorporated into the volcanic ash. This additive is used to compensate the deficiencies in Al2O3 content in the volcanic ash. Compare to when volcanic ash is used alone 20 to 40 % incorporation of this additive corresponded to increases of the compressive strength by 18.1 % for metakaolin-alumina based-geopolymers and by 32.4 % for volcanic ash-based geopolymers.

Determinación del contenido de alúmina reactiva de las adiciones puzolánicas naturales y artificiales, por termogravimetría y por el método de Rietveld

Tanto el tema de esta investigación, como sus objetivos, fundamentos, materiales seleccionados y parte experimental para alcanzarlos, han sido promovidos por la situación y el estado de las construcciones de hormigón armado que se comenzaron a realizar en España a partir del año 1975, con hormigones y morteros de cemento que contenían cenizas volantes hasta un 20 %, en principio, y hasta un 35 %, más tarde, de su dosificación de cemento Portland (CP), los cuales y en contra de lo esperado, han demandado y continúan demandando, muy a pesar de sus aparentes bondades de todo tipo que se les atribuían, una necesidad de mejora de sus prestaciones, especialmente, debido a un nivel inesperadamente bajo de la durabilidad de algunas obras construidas con los mismos. Todo era debido, en definitiva, a que las adiciones puzolánicas, naturales y artificiales, tales como las cenizas volantes, referidas antes, se vienen utilizando reglamentariamente para la fabricación de cementos y/o de sus productos derivados, hormigones, morteros y pastas, en la mayor parte de los países industrializados, desde hace ya más de tres décadas aproximadamente, en las mismas condiciones e idénticos usos constructivos que los hormigones y morteros de CP puro, viniendo además, dictada dicha utilización de estos materiales residuales, hoy sub-productos industriales, por cuestiones medioambientales y/o económicas, principalmente, motivo por el cual esta Tesis Doctoral ha pretendido responder también, adecuadamente y de manera esquemática (en forma de diagrama de flujo), a los criterios que deben de tenerse en cuenta a la hora de su selección y caracterización normalizada y reglamentada de estas adiciones minerales activas, sobre todo, antes de su dosificación y uso en forma del denominado cemento Portland con puzolana, o con ceniza volante, o con esquistos calcinados o con puzolanas calcinadas o con humo de sílice, cemento Portland mixto, cemento puzolánico o cemento compuesto, para que dichos problemas no se le produzcan al hormigón armado ni en masa. De aquí el enfoque tan particular y especial de esta investigación, al haberla circunscrito únicamente a las puzolanas naturales y artificiales, por considerarlas todas ellas, independientemente de por su origen, como materiales constituidos por pequeñas fracciones cristalinas distribuidas aleatoriamente en una matriz mayoritariamente vítrea y/o amorfa, la cual es la que le confiere su reactividad con el hidróxido de calcio en forma de cal apagada o de portlandita procedente de la hidratación del CP. A su vez, dichas fracciones vítreas y/o amorfas están constituidas, en su mayor parte, por sílice reactiva, SiO2r-, alúmina reactiva, Al2O3r-, y óxido de hierro reactivo, Fe2O3r-, recibiendo además, en conjunto, el nombre específico de "factores hidráulicos" de la puzolana, los cuales, por lo común, difieren cuantitativamente de sus contenidos totales, determinados por fusión alcalina mediante procedimientos normalizados. De los tres óxidos reactivos mencionados y desde el punto de vista técnico, los más importantes por su mayor presencia en casi todas las puzolanas naturales y artificiales y, también, transcendencia en la durabilidad química que les pueden llegar a conferir al hormigón armado y en masa, mortero o pasta de cemento que las contenga, son la SiO2r- y la Al2O3r-. El primero de los dos, la SiO2r-, reacciona nada más que con la portlandita (y el Ca(OH)2) para formar geles C-S-H, más tarde transformados en tobermoritas o en jennitas, semejantes a los que originan la alita y la belita del CP en su hidratación. Y desde el punto de vista normativo, la presencia de esta fracción silícica reactiva en las puzolanas viene regulada por la norma EN 197-1, de modo general, siendo además referida por la norma EN 450-1:2006, en el contexto de las cenizas volantes en su adición al hormigón, como "un polvo fino de partículas principalmente de forma esférica y cristalina, procedentes de la combustión de carbón pulverizado, que tiene propiedades puzolánicas y que está compuesto fundamentalmente de SiO2 y Al2O3". Además y de acuerdo con la primera de las dos normas, "El contenido de dióxido de silicio reactivo (definido y determinado según la norma EN 196-2 o su equivalente la UNE 80225) no debe ser inferior al 25 % en masa". Por su parte, cuantiosos estudios experimentales realizados por Talero solo y con otros investigadores, han demostrado que si la puzolana no es adecuada en calidad ni en cantidad, la durabilidad del cemento del que forme parte, y, por consiguiente, de los productos derivados que con él se fabriquen, hormigones, morteros, pastas y prefabricados, puede llegar a ser anormalmente baja, porque la alúmina reactiva, Al2O3r-, o alúmina tetra- o penta-coordinada que la constituye, se implica como tal, de una forma muy directa y con resultados totalmente contrapuestos incluso, en los ataques químicos agresivos naturales que se les producen, provenientes de terrenos y aguas selenitosas (sulfatos, que atacan en su caso al propio material hormigón, mortero y pasta que la contiene para formar ettringita de rápida formación, ett-rf, la cual puede llegar incluso a provocar un ataque rápido del yeso), del rocío marino y de las sales de deshielo (cloruros, que atacan, en cambio, a las armaduras de acero del hormigón provocándoles su corrosión electroquímica por "picadura", si bien, en este otro ataque químico, dicha Al2O3r- lo que origina es sal de Friedel de rápida formación, sF-rf, también, cuyo efecto es, en cambio, colmatador y protector, en definitiva, de dicha corrosión electroquímica), del agua de mar (acción agresiva mutua de cloruros y sulfatos), de la carbonatación, de la reactividad árido-álcali, además de intervenir en la liberación del calor de hidratación, así como también, en el comportamiento reológico de sus pastas, etc., acortándoles de este modo su durabilidad prevista y, en ocasiones, muy seriamente incluso. Pero lo más paradójico de todo es, que a pesar de su referido comportamiento totalmente contrapuesto, frente a sulfatos y cloruros, - aún no se dispone de un método de análisis químico para su determinación cuantitativa, que sea además relativamente sencillo en su operatividad, veraz, preciso, de respuesta rápida, desde el punto de vista técnico de la construcción (no más de 28 días), repetible, reproducible, que no implique peligro alguno para la seguridad vital de las personas que lo tengan que manipular y poner en práctica, económico, y que sirva también tanto para investigación -vertiente científica-, como, sobre todo, para control de calidad -vertiente técnica-, - y ni mucho menos tampoco se dispone todavía, de especificación química alguna que precise el contenido máximo de Al2O3r- (%) que tiene que poseer una puzolana natural o artificial, para poder ser añadida al cemento Portland y/o al hormigón que va a estar sometido a un determinado ataque químico agresivo de los mencionados antes, y, en especial, a sulfatos, a cloruros o al agua de mar. Y para mayor justificación de ambas necesidades, se ha de decir también que la vigente Instrucción de Hormigón Estructural EHE-08 no contempla tampoco especificación química alguna sobre los "factores hidráulicos", en general, ni del contenido de Al2O3r-(%) de las cenizas volantes, muy en particular, en su Artículo 30º "Adiciones", ni en ningún otro Artículo, a pesar de que sí contempla, en cambio, - otras especificaciones químicas que carecen del necesario significado en cuanto a la necesidad de llevar explícita o implícitamente, el mensaje de la Durabilidad Química deseado, y - el Artículo 37º, el cual y para mayor abundamiento se titula paradójicamente "Durabilidad del hormigón y de las armaduras". Asimismo, tampoco se contempla en la última versión que acaba de publicarse de la norma EN 197-1 titulada: "Cementos. Parte 1: Composición, especificaciones y criterios de conformidad de los cementos comunes". Ni tampoco, en la norma EN 450-1:2006 titulada "Cenizas volantes para hormigón. Parte 1: Definiciones, especificaciones y criterios de conformidad", ni en la vigente Instrucción española para la Recepción de Cementos, RC-08, ni en la norma ASTM C618-03 tampoco. La única especificación química que ambas normas, la europea y la norteamericana, refieren es aquella que dice que la suma de los contenidos porcentuales de SiO2 total, Al2O3 total y Fe2O3 total, de la puzolana natural o artificial, ha de ser mayor o igual que 70 %, definiendo, además, a las puzolanas de este modo tan genérico: "materiales silíceos o silíceos y aluminosos, que por sí mismos no poseen valor cementante alguno, pero que finamente divididos y en presencia de humedad, reaccionarán químicamente con hidróxido de calcio a temperaturas ordinarias para formar compuestos que poseen propiedades cementantes". Por consiguiente y de acuerdo con todo lo anterior, el objetivo primordial de esta Tesis Doctoral ha sido: Diseñar y poner a punto un nuevo método analítico de utilidad técnica (que la duración máxima del ensayo no sea mayor de 28 días), para determinar el contenido de alúmina reactiva, vítrea o amorfa, Al2O3r-, de las puzolanas naturales y artificiales. Y una vez puesto a punto, validarlo a nivel de su repetibilidad, de acuerdo con parámetros estadísticos apropiados, poniendo especial énfasis en los criterios de aceptación establecidos por la American Association of Official Analytical Chemists (AOAC). Y para conseguirlo, la innovación de esta investigación se ha basado en los siguientes fundamentos generales, a saber: - Toda la alúmina de cualquier puzolana natural o artificial, capaz de ser atacada, disuelta y lixiviada en 28 días, por la portlandita o por el hidróxido de calcio, Ca(OH)2, en medio acuoso, es considerada como alúmina reactiva, Al2O3r-. - Dicha fracción alumínica reactiva de la puzolana natural o artificial se tiene que encontrar, además, en el estado físico-químico de poder reaccionar químicamente también, en presencia de hidróxido de calcio, cloruro de sodio y agua, para originar monocloro¿aluminato de calcio hidratado, C3A·CaCl2·10H2O, o sal de Friedel. Además, dicho estado físico-químico de la puzolana ha de ser acorde con la definición de alúmina reactiva adoptada en esta investigación en razón de las prestaciones reales de durabilidad química que le puede llegar a conferir a los cementos de mezcla y a sus productos derivados, hormigones, morteros y pastas, que se fabriquen con la misma. - La originalidad de este nuevo método analítico, respecto a los demás métodos ya existentes, reside en que la cuantificación de dicha fracción alumínica reactiva de la puzolana natural o artificial, se realiza mediante cálculo estequiométrico, basándose, para ello, en dicha reacción química de formación de sal de Friedel precisamente, tras 28 días de hidratación básica-salina acelerada de la puzolana natural o artificial, habiéndose realizado, además, en esta investigación dicha determinación cuantitativa de la cantidad de sal de Friedel originada por cada puzolana, mediante dos técnicas analíticas instrumentales que fueron las siguientes: el análisis termogravimétrico (variante I ó I-I en su caso) y el método de Rietveld con la difracción de Rayos X en polvo (variante II). - La reacción química de formación de sal de Friedel tras 28 días de hidratación básica-salina acelerada de las puzolanas que se analicen, se optimizó para asegurar que el único compuesto químico de aluminio y cloro formado fuese sal de Friedel nada más (dosificando para ello en cantidad adecuada los reactivos químicos necesarios: Ca(OH)2, NaCl y agua destilada), manteniendo, además y por otra parte, el compromiso apropiado entre el máximo rendimiento de dicha reacción química (ataque, disolución y lixiviación en 28 días, de toda la alúmina reactiva de la puzolana) y el modo y medios más adecuados de acelerarlo para conseguirlo fue a 40°C de temperatura, con agitación constante y cierre hermético del reactor. - La aplicabilidad y selectividad del nuevo método analítico, objeto de esta Tesis Doctoral, fue estudiada con una serie de puzolanas naturales y artificiales españolas, silíceas y/o silíceas y aluminosas en naturaleza, que fueron las siguientes: M0 (metacaolín 0), M1 (M0 con 50 % de cuarzo), C y L (puzolanas naturales de las Islas Canarias), CV10 y CV17 (cenizas volantes), A (puzolana natural de Almagro), O (puzolana natural de Olot) y HS (humo de sílice). - Todas las adiciones minerales anteriores cumplieron con los principales requisitos físicos y químicos que son preceptivos para poder considerarlas, antes de todo, como puzolanas, lo que era indispensable y de obligado cumplimiento, para poderles determinar su contenido total de Al2O3r- (%) mediante el nuevo método analítico. Estos condicionantes fueron los siguientes: grado adecuado de finura de molido o tamaño medio de partícula (según la norma EN 451-2), haber sido analizadas químicamente antes de todo (según la norma EN 196-2 ó la ASTM C311), con el fin de determinarles especialmente, sus contenidos totales de SiO2 (%), Al2O3 (%) y Fe2O3 (%), haberles determinado, además, su contenido de sílice reactiva, SiO2r- (%) (según la norma UNE 80225), y haber cumplido con el ensayo de puzolanicidad o de Frattini (según la norma EN 196-5) a la edad de 28 días al menos. Este último requisito, otrora de obligado cumplimiento hasta el año 1988, para cualquier puzolana natural y artificial que una fábrica de cementos pretendiera introducir en el proceso de fabricación de un nuevo cemento puzolánico o cemento tipo CEM IV, ha logrado así, que se tenga que volver utilizar de nuevo de forma obligada con esta Tesis Doctoral. Y los resultados obtenidos con el nuevo método analítico de los contenidos de Al2O3r-(%) de las puzolanas seleccionadas, fueron los siguientes: - Mediante su variante I: M0 29.9 %, M1 16.9 %, CV10 11.4 %, L 12.3 %, C 12.6 %, A 8.0 %, CV17 9.5 % y O 6.3 % de Al2O3r-, y - Mediante su variante II: M0 30.7 %, M1 15.4 %, CV10 14.7%, L 11.8 %, C 11.1 %, A 8.9 %, CV17 9.6 % y O 6.8 % de Al2O3r-. Finalmente, todos ellos fueron contrastados, además, mediante la calibración y validación del nuevo método analítico, con los valores de referencia obtenidos de esas mismas puzolanas, los cuales se les habían determinado mediante el método de Florentín, consistente en atacar, disolver y lixiviar también toda la fracción alumínica soluble de la puzolana (y además, aquella silícica y férrica que la constituyen a la par), pero, en especial, su contenido total de alúmina reactiva, mediante un ataque básico (con Ca(OH)2 en medio acuoso a temperatura del laboratorio, habiendo sido, además, su duración hasta 1 año), seguido de otro ácido (con HCl, d = 1.12), habiéndose obtenido esta vez los siguientes resultados de sus contenidos de Al2O3r- (%): M0 28.8 %, M1 16.7 %, CV10 9.7 %, L 11.2 %, C 12.2 %, A 13.0 %, CV17 10.6 % y O 9.5 %. Dicha validación realizada ha puesto de manifiesto, en términos generales, que el nuevo método analítico es más fidedigno que el de Florentín, por lo que resulta ser totalmente apropiado para obtener los resultados que se han pretendido, además de proporcionarlos en un espacio de tiempo relativamente corto (28 días a lo sumo) y a un coste económico razonable por no elevado (salvo error u omisión y libre de impuestos directos e indirectos, el coste económico estimado de la variante I estaría en torno a 800.00 - 900.00 €/puzolana -caso más probable-, y aproximadamente una tercera parte nada más, en el caso de que la edad máxima del ensayo acelerado sea 7 días nada más -caso menos probable-), y, por consiguiente, técnicamente aceptable, al cumplir, además, en todo el rango considerado de variabilidad posible de concentraciones o contenidos del analito buscado en la puzolana, con tales parámetros de validación como son: linealidad (los resultados obtenidos son directamente proporcionales a la señal-respuesta instrumental recibida), sensibilidad, precisión excelente, repetibilidad satisfactoria de los valores obtenidos de los contenidos de Al2O3r- de todas y cada una de las adiciones puzolánicas seleccionadas, confirmando, por ello, la universalidad de su uso. Finalmente, las ventajas del nuevo método analítico, respecto a los métodos ya existentes recopilados de la bibliografía (el método de Florentín, el método de López Ruiz -HF 40 % y HNO3 2N-, el método de Murat y Driouche para arcillas -HF 0.5M-, el método de Arjuan, Silbee y Roy para cenizas volantes -HF 1 %- y su modificación por Fernández-Jiménez y cols. -HF 1 %, 27Al NMR MAS y XRD (método de Rietveld)-, y el método de determinación de la relación SiO2r-/Al2O3r- para arcillas y cenizas volantes por Ruiz-Santaquiteria y cols. -HF 1 %, NaOH 8M y ICP-AES-) son, principalmente, estar exento de peligro alguno para la seguridad vital de las personas que lo tengan que manipular y poner en práctica, ser bastante apropiado para control de calidad además de para investigación, su considerable menor coste económico, su relativamente corto espacio de tiempo que se necesita para obtener la respuesta-resultado pretendida (28 días a lo sumo), así como su universalidad y selectividad, puesto que además, su aplicabilidad es para todo tipo de adiciones puzolánicas naturales o artificiales, como así lo demuestran los resultados obtenidos de los materiales puzolánicos naturales y artificiales seleccionados y analizados, en un rango de concentraciones del analito -contenido de alúmina reactiva, Al2O3r- (%)-, desde el 5 % hasta el 30 % en masa, rango éste que, por otra parte, comprende prácticamente TODAS las adiciones puzolanas naturales y artificiales existentes en el mercado transnacional y las aún por existir. Por consiguiente y de acuerdo con lo anterior, el nuevo método analítico, ya sea realizado mediante su variante I o la II, debido, - en primer lugar, a los fundamentados planteamientos relativos a su procedimiento experimental -modus operandi- el cual ha sido aplicado a una amplia gama de puzolanas naturales y artificiales, y - en segundo lugar, debido a la calidad de los resultados obtenidos con un grado de precisión y repetibilidad excelentes, ha demostrado poseer una gran utilidad científica -para investigación-, pero, sobre todo, técnica -para control de calidad de adiciones puzolánicas naturales y artificiales que se adicionan habitualmente al cemento Portland en fábrica y/o a sus hormigones y morteros en planta-, además de ser representativos los valores obtenidos mediante el mismo respecto a la más que probable durabilidad química que cada una de ellas puede llegarle a conferir al hormigón armado y en masa, mortero y pasta del que forme parte, así como también su cantidad adecuada de sustitución parcial de cada cemento Portland para conseguirla, acorde con sus propias prestaciones químico-físicas o físico-químicas que puede llegarle a conferir, según sea su carácter químico (alumínico, alumínico-silícico, silícico-alumínico, silícico-férrico-alumínico o silícico), forma y tamaño medio de su partícula. Por último, el nuevo método analítico ha demostrado cumplir además, con todos los requisitos de obligado cumplimiento que establece la norma ISO/IEC 17025 sobre la calidad y fiabilidad de nuevos métodos o procedimientos analíticos no normalizados todavía, para poder ser propuesto en un futuro próximo, ante la Comisión de AENOR correspondiente, con objeto de comenzar un expediente para su certificación y normalización. ________________________________________________________________________________ Both the subject of this research, its objectives, fundamentals, materials selected and experimental part to achieve, have all been promoted by the situation and the state of reinforced concrete constructions that began performing in Spain from 1975, with concrete and mortars cement containing fly ash up to 20 %, in principle, and later, up to 35 % to its content of Portland cement, which and against expected, demanded a need to improve their performance, especially due to an unexpectedly low level of durability of some works built with them, despite, however, its apparent benefits of all kinds are ascribed to them. Ultimately, the natural or artificial pozzolanic additions, such as fly ash specially, referred to above, have been used with regulation to manufacture cements and/or its derivatives, concretes, mortars, cement pastes, in the most industrialized countries. More than three decades ago, under the same conditions and identical construction mainly uses concretes and mortars plain Portland cement, besides coming, given that use of these waste materials, industrial by-products today for environmental and/or economic issues. For this reason, this Doctoral Thesis aims to answer properly and schematically (in the form of flow chart), the criteria to be taken into account when selection and characterization standardized for these active mineral additions, especially prior to choosing and use in the so-called Portland Cement (PC) pozzolan, or with fly ash or with calcined shales or with calcined pozzolans or with silica fume or PC mixed or pozzolanic cement or compound cement, for that such pathology problems will not occur when reinforced concretes nor mass concretes are used for building. Hence the very particular and special focus about this research, having confined only to the natural or artificial pozzolans, considering them all, regardless of their origin, approach as materials consisting of small crystalline fractions randomly distributed in a largely vitreous and/or amorphous matrix, which confers their reactivity with calcium hydroxide in the form of slaked lime or portlandite from PC. In turn, these vitreous and/or amorphous fractions consist in its greater part, by reactive silica, SiO2r-, reactive alumina, Al2O3r-, and reactive iron oxide, Fe2O3r-, which also receive, in conjunction, the specific name of "hydraulic factors" of the pozzolan. Usually, they all differs in quantity of their respective total contents of the SiO2 (%), Al2O3 (%) and Fe2O3 (%) determined the pozzolan by alkaline fusion by means of standard procedures. Of the three above-mentioned oxides reagents and from the technical point of view, the most important for its increased presence in every one of the natural or artificial pozzolans and also significance in the chemical durability that can get them to give the concrete mortar or cement paste which contain them, are SiO2r- and Al2O3r-. From the first two, the SiO2r- reacts with portlandite only, released in the hydration of the PC (and with Ca(OH)2), to form C-S-H gels, transformed in tobermorites or jennites later on, similar to C-S-H gels also originating from the alite and belite hydration in the CP. From the standardization criteria point of view, the presence of this silicic fraction in pozzolans is regulated at first, by the European standard EN 197-1, in general, also being referred by the EN 450-1:2006, in the context of the fly ash in addition to the concrete, as a "fine powder of spherical particles mainly crystalline form. It is from the combustion of pulverized coal, which have pozzolanic properties and is mainly composed of SiO2 and Al2O3". In addition and according to the EN 197-1 standard, the reactive silica content (which can be defined and determined in accordance with EN 197-1 standard or its UNE 80225 standard) must not be lower than 25 % of its mass. Meanwhile, considerable experimental studies by Talero and Talero et al, have shown that if the pozzolan is not adequate in quality nor quantity, the durability of cement that is part and, therefore, of its derivative products, concretes, mortars and pastes cement, can become abnormally low because its reactive alumina, Al2O3r- (%), content or tetra- or penta-coordinated alumina which involves itself in a very direct and totally mixed and conflicting results even at all aggressive chemical attack natural to produce to the concrete, mortar and paste with inadequate natural and/or artificial pozzolans, such as those from the selenitous land and waters (sulfates, strikes if the material itself concrete, mortar and paste that contain them, for rapid forming ettringite form, ett-rf, which can even cause rapid gypsum attack to said concrete). In contrast, sea spray and de-icing salts (chlorides strikes the reinforced steel concrete causing them electrochemical corrosion by "bite", although in that other chemical attack, such Al2O3r- causes rapid Friedel's salt formation, Fs-rf, too, to cause protector effect of the electrochemical corrosion of reinforcements for these chlorides), seawater (mutual aggressive action of chlorides and sulfates), carbonation, alkali-silica reaction, and, in addition, to influence the release of hydration heat, as well as in the rheological behavior of the pastes, etc., decreasing/shorting them thus their expected durability and sometimes even very seriously. But the most ironic thing is, that despite its referral totally opposed, compared to sulfates and chlorides, behaviour, - far not available is, a chemical analysis method for its quantitative determination, which is also relatively simple in operation, accurate, precise, rapid response, from a technical point of view for building (no more than 28 days), repeatable, reproducible, not involving danger to life safety of the people who need to manipulate and implement, economic, and also serve for both scientific research and technical side, and - has yet to be any chemical specification that sets maximum levels for Al2O3r-(%) in the natural or artificial pozzolan to be added to the cement and/or to the concrete that will be subject to a particularly aggressive chemical attack from those mentioned above, and in particular, to sulphates, chlorides or sea water. And for the sake of and justification of this need, it has to be said that the current Spanish Instruction for Structural Concrete EHE-08 does not provide any specification on "hydraulic factors" in general, nor the content of Al2O3r- (%) in fly ash, very particular, as Article 30º "Additions", or any other Article, although does provide, however, other chemical specifications lacking the necessary meaning in terms of the message Chemical Durability mentioned, nor the Article 37º which and for greater sake, is paradoxically entitled "Durability of the concrete and of their reinforcements". It has also not contemplated in the latest version just released from EN 197-1 standard entitled "Cement Part 1: Composition, specifications and conformity criteria for common cements". Nor, in EN 450-1:2006 entitled "Fly ash for concrete Part 1: Definitions, specifications and conformity criteria", nor by current Spanish Instruction for Cement Reception, RC-08, nor the ASTM C618-03 Standard either. The only chemical specification that both Standards, European and American, refer is one that says that the sum of the total contents of SiO2 (%), Al2O3 (%) and Fe2O3 (%) of natural and artificial pozzolan, must be greater than or equal to 70 % , defining pozzolans thus: "siliceous or aluminous and siliceous materials, which themselves do not have any cementitious value but finely divided and in the presence of moisture it reacts with calcium hydroxide at ordinary temperatures to form compounds possessing cementitious properties". Consequently and according to everything related before, the primary objective of this Doctoral Thesis has been: To design and start-up a new quantitative analytical method of technical utility (the maximum test duration is not more than 28 days), to determine the content of reactive alumina content, Al2O3r- (%), vitreous or amorphous alumina, of natural and artificial pozzolans. And once designed, validate at repeatability level and in accordance with appropriate statistical parameters with special emphasis on the acceptance criteria established by the American Association of Official Analytical Chemists (AOAC). And to achieve this, the innovation of this research has been based on the following general principles, namely: - All the alumina in any pozzolan, natural or artificial, that can be attacked, dissolved and leached by portlandite or calcium hydroxide, Ca(OH)2, in aqueous medium, is considered reactive alumina, Al2O3r-. - This aluminic fraction of natural or artificial pozzolan to analyze and study, has to be in such physical-chemical state that it can react in the presence of calcium hydroxide, sodium chloride and water status and to cause monochloro-aluminate hydrated calcium, C3A·CaCl2·10H2O or Friedel's salt. Moreover, such physical-chemical state of the pozzolan must be consistent with the definition of reactive alumina adopted in this research because of the actual performance of chemical durability that can reach confer on blended cements and their derivatives, concretes, mortars and pastes that are manufactured with the same. - The originality of this new analytical method, compared to the other methods for determining reactive alumina existing (collected in abbreviated form in the state of the art of this report), is the quantification of such aluminic fraction of natural or artificial pozzolans is performed by stoichiometric calculation based on this, in the chemical reaction of Friedel's salt formation after 28 days of the analysis of saline-basic hydration accelerated natural or artificial pozzolan also performed in this research, and the quantitative determination of the Friedel's salt has been performed by two instrumental analytical techniques known as thermogravimetric analysis (variant I), and Rietveld method with X-ray powder diffraction (variant II). - The chemical reaction of Friedel's salt formation after 28 days of accelerated saline-basic hydration of the selected natural and artificial pozzolan, was optimized to ensure that the single chemical compound of aluminium and chlorine formed was Friedel's salt only (dosing for this purpose in amount suitable chemical reagents: Ca(OH)2, NaCl and distilled water), and, on the other hand, maintaining the appropriate compromise between the highest yield from the chemical reaction (attack, dissolution and leaching in 28 days, all reactive alumina of pozzolan) and to accelerate the etching media, which were 40°C temperature, constant stirring and sealing the reactor. - The applicability and selectivity of the new analytical method, the subject of this Doctoral Thesis, was studied with a series of Spanish natural and artificial pozzolans, siliceous or siliceous and aluminous in nature, which were as follows: M0 (metakaolin 0), M1 (M0 with 50 % quartz), L and C (natural pozzolans of the Canary Islands), CV10 (fly ash 10), CV17 (fly ash 17), A (natural pozzolan of Almagro), O (natural pozzolan of Olot), and HS (silica fume). - All mineral admixtures were selected satisfied the physical and chemical requirements proposed to consider them as pozzolan, which was mandatory, so its Al2O3r- (%) content can determine by the new analytical method. These conditions were as follows: adequate degree of fineness of grind or average particle size (according to EN 451-2 standard), have been analyzed chemically (according to EN 196-2 or ASTM C311 standards), in order to determine their total contents of SiO2 (%), Al2O3 (%) and Fe2O3 (%), mainly, having also determined its reactive silica content, SiO2r- (%) (UNE 80225 standard), and fulfilled with testing of pozzolanicity or Frattini test (according to EN 196-5 standard) at 28 days age at least. The last criteria was mandatory until 1988, for any natural and artificial pozzolan to a factory intended to introduce cements in the manufacturing process of a new Portland cement type CEM IV pozzolanic additions, and with this Doctoral Thesis has made is to be used once again mandatory. And the results obtained using the new analytical method, of the Al2O3r- (%) content for each selected pozzolan, were as follows: - by its variant I: M0 29.9 % , M1 16.9 % , CV10 11.4 % , L 12.3 % , C 12.6 % , A 8.0 % , CV17 9.5 % and O 6.3 % of Al2O3r-, and - by its variant II: M0 30.7 % , M1 15.4 % , CV10 14.7% % , L 11.8 % , C 11.1 % , A 8.9 % , CV17 9.6 % and O 6.8 % of Al2O3r-. Finally, they would all be further contrasted by the calibration and validation of new analytical method, with reference values obtained from these same natural and artificial pozzolans, which had been given by the method of Florentin, consisting of attack, dissolve and leached with a basic attack (with Ca(OH)2 in aqueous medium and laboratory temperature, having also been its duration up to 1 year), followed by another acid attack (HCl, d = 1.12), all soluble aluminic fraction of pozzolan, and in particular their total content of reactive alumina, Al2O3r-(%), was this time as follows: M0 28.8 %, M1 16.7 %, CV10 9.7 %, L 11.2 %, C 12.2 %, A 13.0 %, CV17 10.6 % and O 9.5 % (and their siliceous and iron contents that are at par). This validation has shown on the new analytical method is more reliable than Florentin method, so it turns out to be entirely appropriate to get the results that have been tried by the same, besides providing them a relatively short space of time (28 days at most) and reasonably no high economic cost (unless mistake -free direct and indirect taxes, such economic cost would be between 800.00 - 900.00 €/pozzolan (most likely case), and about an one-third part around, in the event that the maximum age of the accelerated test is 7 days only (less likely case). So it is technically acceptable, to consider the range of possible variability of concentrations or contents pozzolan analyte with validation parameters such as: linearity (the results obtained are directly proportional to the instrumental response signal received), excellent sensitivity and accuracy, satisfactory repeatability values from the contents of each and Al2O3r- (%) each selected pozzolan, confirming therefore universal use. Finally, the advantages of the new analytical method over existing methods compiled from literature (Florentin method , the Lopez Ruiz method -HF and HNO3 40 % 2N-, the method of Murat and Driouche for clays -0.5M HF-, the method of Arjuan, Roy and Silbee for fly ash -HF 1 %- and its modification by Fernández-Jiménez et al -HF 1 %, 27Al MAS NMR and XRD (Rietveld method)-, and the method for determining the SiO2r-/Al2O3r- clay and fly ash ratio of Santaquiteria Ruiz et al -HF 1 %, NaOH 8M and ICP-AES-) are primarily and relatively short time get the result intended answer (28 days at most), its considerable lower cost, free from danger to the life safety of the people who need to manipulate and put in practice as well as its universality and selectivity, since it is applicable for all types of natural or artificial pozzolans, as it has been shown by the results of selected natural and artificial pozzolanic materials and analyzed in a range of analyte concentrations -reactive alumina, Al2O3r- (%) content- from 5 % to 30 % by mass, this range, on the other hand, includes virtually ALL existing transnational market in natural and artificial pozzolans and still exist. Therefore and in accordance with the above, the new analytical method is already performed by the variant I or II, because, - firstly, grounded to experimental approaches concerning its experimental procedure -"modus operandi"- which has been applied to a wide range of natural and artificial pozzolans, and - secondly, due to the quality of the results obtained with a great degree of accuracy and repeatability, it has been shown to possess significant scientific value in the research, but especially technical value -for quality control of natural and artificial pozzolans commonly added to Portland cement factory and/or directly to their concrete and mortar in plant-, and also be representative enough of the values obtained by the same probable chemical durability that each of them can reach out to give the concrete mortar and paste to which it belongs, as well as proper amount of partial replacement of Portland cement. To get in line with their own chemical-physical or physical-chemical features which can come to confer, as its chemical character (aluminic, silicic-aluminic, aluminic-silicic, aluminic-ferric-silicic or ferric-silicic), form and medium size of its particle is. Finally, the new analytical method has proven to meet all mandatory requirements established by ISO/IEC 17025 on the quality and reliability of new methods or analytical procedures are not standardized yet, in order to be considered appropriate this new analytical method, in this Doctoral Thesis it is to be proposed in the near future, before the corresponding AENOR (Spanish Association for Standardization and Certification) Commission, to start a procedure for certification and standardization.

Comportamiento de morteros de cemento con nano adiciones sometidos a ciclos hielo-deshielo.

El objetivo de este trabajo es determinar la influencia de la incorporación de nanoSiO2, nanoAl2O3 así como la mezcla de ambas adiciones, en morteros de cemento cuando son sometidos a ciclos de hielo-deshielo, e interpretar dicho comportamiento a través de los cambios microestructurales. Para ello se fabricaron cuatro morteros de cemento con distintas adiciones. Un mortero de cemento CEM I 52,5R normalizado de acuerdo a la Norma Europea EN 196-1:2005 como control. Otro de igual composición, al que se incorporó un 5% de nano-SiO2 respecto a la cantidad total de cemento, un tercero con un 5% de nano-Al2O3 y un cuarto con un 2,5% de nano-SiO2 y un 2,5% de nano-Al2O3. La relación agua/material cementante de 0,47. Para cada mortero, se fabricaron 4 probetas de 15x15x15 cm con el fin de determinar su resistencia a ciclos de hielodeshielo de acuerdo a la UNE-CEN/TS 12390-9 EX. Además, se caracterizaron microestructuralmente mediante porosimetría por intrusión de mercurio, análisis termogravimétrico y micrografía electrónica. Los resultados de la caracterización microestructural ponen de manifiesto un refinamiento de la matriz porosa, con aumento de la cantidad de geles hidratados. Las imágenes de SEM revelan cambios en la morfología de los productos hidratados de la matriz cementicia, siendo notables tanto en la portlandita como en la ettringita. Los cambios producidos por la adición de nano sílice muestran una gran influencia en la estructura porosa y determinan una mejora muy significativa en el comportamiento de estos morteros bajo ciclos hielo-deshielo. The rise of nanotechnology in the last two decades has been of scientific interest considerable for the construction industry due to the high potential in the use of nano-particles in cementitious materials. These allow a reengineering of existing products and the design of new high-performance materials. In this line there are many works in which we study the effect of additions of nano-particles in mortars and concretes. However, were very few scientific papers in which we study the behavior of these materials under freeze-thaw cycles. The aim of this study was to determine the influence of incorporating nano-SiO2, nano-Al2O3 and the mixture of both additions in cement mortar when subjected to freeze-thaw cycles, and interpret such behavior through microstructural changes.For this purpose four cement mortars have been fabricated with different additions. A cement mortar CEM I 52,5 R normalized according to the European standard EN 196-1:2005 was manufactured as control . Another mortar with a 5% nano-SiO2 in respect to the total amount of cement, other with 5% nano-Al2O3 and for last a mortar with 2.5% of nano-SiO2 and 2.5% of nano-Al2O3. The water/binder ratio was 0.47. For each mortar, four specimens were made of 150x150x150 mm in order to determine its behavior under freeze-thaw cycles according to UNE-CEN/TS EX 12390-9. Furthermore, the mortars were characterized microstructurally by mercury intrusion porosimetry, thermogravimetric analysis and electron micrograph. The microstructural characterization results show a refinement of the porous matrix, with increased amount of hydrated gels. The SEM images show changes in the morphology of the products of the hydrated cement matrix being remarkable both in the portlandite as in the ettringite. The changes produced by the addition of nanosilica show a great influence on the porous structure and determine a significant improvement in the behavior of these mortars under freeze-thaw cycles.

Influencia de la adición de nanosílice y microsílice en el comportamiento mecánico, microestructural y durable de un hormigón autocompactante

Desde mediados de la década de los 80 se está investigando sobre el hormigón autocompactante. Cada día, su uso en el mundo de la construcción es más común debido a sus numerosas ventajas como su excelente fluidez ya que puede fluir bajo su propio peso y llenar encofrados con formas complicadas y muy armados sin necesidad de compactaciones internas o externas. Por otra parte, la búsqueda de materiales más resistentes y duraderos, ha dado lugar a la incorporación de adiciones en materiales a base de cemento. En las últimas dos décadas, los ensayos con los nanomateriales, ha experimentado un gran aumento. Los resultados hasta ahora obtenidos pueden asumir no sólo un aumento en la resistencia de estos materiales, pero un cambio es su funcionalidad. Estas nanopartículas, concretamente la nanosílice, no sólo mejoran sus propiedades mecánicas y especialmente sus propiedades durables, sino que pueden implicar un cambio sustancial en las condiciones de uso y en su ciclo de vida. Este trabajo tiene como principal objetivo el estudio de las propiedades mecánicas, características microestructurales y durables de un hormigón autocompactante cuando se le agrega como adición nanosílice, microsílice y mezcla binarias de ambas, como adición al cemento. Para ello se han realizado 10 mezclas de hormigón. Se utilizó como referencia un hormigón autocompactante obtenido con cemento, caliza, árido, aditivo modificador de viscosidad Se han fabricado tres hormigones con la misma dosificación pero con diferentes contenidos de nanosílice. 2,5%, 5% y 7,5% Tres dosificaciones con adición de microsílice 2,5%, 5% y 7,5% y las tres restantes con mezclas binarias de nanosílice y microsílice con respectivamente2,5%-2,5%, 5%-2,5% y 2,5%-5%, sobre el peso del cemento. El contenido de superplastificante se modificó para conseguir las características de autocompactabilidad. Para observar los efectos de las adiciones añadidas al hormigón, se realiza una extensa campaña experimental. En ella se evaluaron en primer lugar, las características de autocompactabilidad del material en estado fresco, mediante los ensayos prescritos en la Instrucción Española del hormigón estructural EHE 08. Las propiedades mecánicas fueron evaluadas con ensayos de resistencia a compresión, resistencia a tracción indirecta y módulo de elasticidad. Las características microestructurales fueron analizadas mediante porosimetría por intrusión de mercurio, el análisis termogravimétrico y la microscopía electrónica de barrido. Para el estudio de la capacidad durable de las mezclas se realizaron ensayos de resistividad eléctrica, migración de cloruros, difusión de cloruros, carbonatación acelerada, absorción capilar y resistencia al hielo-deshielo. Los resultados ponen de manifiesto que la acción de las adiciones genera mejoras en las propiedades resistentes del material. Así, la adición de nanosílice proporciona mayores resistencias a compresión que la microsílice, sin embargo las mezclas binarias con bajas proporciones de adición producen mayores resistencias. Por otra parte, se observó mediante la determinación de las relaciones de gel/portlandita, que las mezclas que contienen nanosílice tienen una mayor actividad puzolánica que las que contienen microsílice. En las mezclas binarias se obtuvo como resultado que mientras mayor es el contenido de nanosílice en la mezcla mayor es la actividad puzolánica. Unido a lo anteriormente expuesto, el estudio de la porosidad da como resultado que la adición de nanosílice genera un refinamiento del tamaño de los poros mientras que la adición de microsílice disminuye la cantidad de los mismos sin variar el tamaño de poro medio. Por su parte, en las micrografías, se visualizó la formación de cristales procedentes de la hidratación del cemento. En ellas, se pudo observar, que al adicionar nanosílice, la velocidad de hidratación aumenta al aumentar la formación de monosulfoaluminatos con escasa presencia de etringita. Mientras que en las mezclas con adición de microsílice se observan mayor cantidad de cristales de etringita, lo que confirma que la velocidad de hidratación en estos últimos fue menor. Mediante el estudio de los resultados de las pruebas de durabilidad, se observó que no hay diferencias significativas entre el coeficiente de migración de cloruros y el coeficiente de difusión de cloruros en hormigones con adición de nano o microsílice. Aunque este coeficiente es ligeramente menor en mezclas con adición de microsílice. Sin embargo, en las mezclas binarias de ambas adiciones se obtuvo valores de los coeficientes de difusión o migración de cloruros inferiores a los obtenidos en mezclas con una única adición. Esto se evidencia en los resultados de las pruebas de resistividad eléctrica, de difusión de cloruros y de migración de cloruros. Esto puede ser debido a la suma de los efectos que producen el nano y micro adiciones en la porosidad. El resultado mostró que nanosílice tiene un papel importante en la reducción de los poros y la microsílice disminuye el volumen total de ellos. Esto permite definir la vida útil de estos hormigones a valores muy superiores a los exigidos por la EHE-08, por lo que es posible reducir, de forma notable, el recubrimiento exigido en ambiente de alta agresividad asegurando un buen comportamiento en servicio. Por otra parte, la pérdida de masa debido a los ciclos de congelación-descongelación es significativamente menor en los hormigones que contienen nanosílice que los que contienen microsílice. Este resultado está de acuerdo con el ensayo de absorción capilar. De manera general, se puede concluir que son las mezclas binarias y más concretamente la mezcla con un 5% de nanosílice y 2,5% de microsílice la que presenta los mejores resultados tanto en su comportamiento resistente con en su comportamiento durable. Esto puede ser debido a que en estas mezclas la nanosílice se comporta como un núcleo de activación de las reacciones puzolánicas rodeado de partículas de mayor tamaño. Además, el extraordinario comportamiento durable puede deberse también a la continuidad en la curva granulométrica por la existencia de la microsílice, el filler calizo, el cemento, la arena y la gravilla con tamaños de partículas que garantice mezclas muy compactas que presentan elevadas prestaciones. Since the middle of the decade of the 80 is being investigated about self-consolidating concrete. Every day, its use in the world of construction is more common due to their numerous advantages as its excellent fluidity such that it can flow under its own weight and fill formworks with complicated shapes and congested reinforcement without need for internal or external compactions. Moreover, the search for more resistant and durable materials, has led to the incorporation of additions to cement-based materials. In the last two decades, trials with nanomaterials, has experienced a large increase. The results so far obtained can assume not only an increase in the resistance of these materials but a change is its functionality. These nano particles, particularly the nano silica, not only improve their mechanical properties and especially its durable properties, but that may imply a substantial change in the conditions of use and in their life cycle. This work has as its main objective the study of the mechanical properties, the microstructural characteristics and durability capacity in one self-compacting concrete, when added as addition to cement: nano silica, micro silica o binary mixtures of both. To this effect, 10 concrete mixes have been made. As reference one with a certain amount of cement, limestone filler, viscosity modifying additive and water/binder relation. Furthermore they were manufactured with the same dosage three mix with addition of 2.5%, 5% and 7.5% of nano silica by weight of cement. Other three with 2.5%, 5% and 7.5% of micro silica and the remaining three with binary mixtures of 2.5%-2.5%, 5%-2.5% and 2.5%-5% of silica nano-micro silica respectively, b weight of cement, varying only the amount of superplasticizer to obtain concrete with characteristics of self-compactability. To observe the effects of the additions added to the concrete, an extensive experimental campaign was performed. It assessed, first, the characteristics of self-compactability of fresh material through the tests prescribed in the Spanish Structural Instruction Concrete EHE 08. The mechanical properties were evaluated by compression strength tests, indirect tensile strength and modulus of elasticity. The microstructural properties were analyzed by mercury intrusion porosimetry, thermogravimetric analysis and scanning electron microscopy. To study the durability, were performed electrical resistivity tests, migration and diffusion of chlorides, accelerated carbonation, capillary suction and resistance to freeze-thaw cycles. The results show that the action of the additions generates improvements in the strength properties of the material. Specifically, the addition of nano silica provides greater resistance to compression that the mix with micro silica, however binary mixtures with low addition rates generate higher strengths. Moreover, it was observed by determining relationships gel/portlandite, that the pozzolanic activity in the mixtures with nano silica was higher than in the mixtures with micro silica. In binary mixtures it was found that the highest content of nano silica in the mix is the one with the highest pozzolanic activity. Together with the foregoing, the study of the porosity results in the mixture with addition of nano silica generates a refinement of pore size while adding micro silica decreases the amount thereof without changing the average pore size. On the other hand, in the micrographs, the formation of crystals of cement hydration was visualized. In them, it was observed that by adding nano silica, the speed of hydration increases with increasing formation monosulfoaluminatos with scarce presence of ettringite. While in mixtures with addition of micro silica, ettringite crystals are observed, confirming that the hydration speed was lower in these mixtures. By studying the results of durability testing, it observed that no significant differences between the coefficient of migration of chlorides and coefficient of diffusion of chlorides in concretes with addition of nano or micro silica. Although this coefficient is slightly lower in mixtures with addition of micro silica. However, in binary mixtures of both additions was obtained values of coefficients of difusion o migration of chlorides lower than those obtained in mixtures with one of the additions. This is evidenced by the results of the tests electrical resistivity, diffusion of chlorides and migration of chlorides. This may be due to the sum of the effects that produced the nano and micro additions in the porosity. The result showed that nano silica has an important role in the pores refining and the micro silica decreases the total volume of them. This allows defining the life of these concretes in values to far exceed those required by the EHE-08, making it possible to reduce, significantly, the coating required in highly aggressive environment and to guarantee good behavior in service. Moreover, the mass loss due to freeze-thaw cycles is significantly lower in concretes containing nano silica than those containing micro silica. This result agrees with the capillary absorption test. In general, one can conclude that the binary mixture and more specifically the mixture with 5% of nano silica and 2.5% silica fume is which presents the best results in its durable behavior. This may be because in these mixtures, the nano silica behaves as cores activation of pozzolanic reactions. In addition, the durable extraordinary behavior may also be due to the continuity of the grading curve due to existence of micro silica, limestone filler, cement, sand and gravel with particle sizes that guarantees very compact mixtures which have high performance.

Effect of nano-Si2O and nano-Al2O3 on cement mortars for use in agriculture and livestock production

The effect of nano-silica, nano-alumina and binary combinations on surface hardness, resistance to abrasion and freeze-thaw cycle resistance in cement mortars was investigated. The Vickers hardness, the Los Angeles coefficient (LA) and the loss of mass in each of the freeze–thaw cycles to which the samples were subjected were measured. Four cement mortars CEM I 52.5R were prepared, one as control, and the other three with the additions: 5% nano-Si, 5% nano-Al and mix 2.5% n-Si and 2.5% n-Al. Mortars were tested at 7, 28 and 90 d of curing to determine compression strength, total porosity and pore distribution by mercury intrusion porosimetry (MIP) and the relationship between the CSH gel and Portlandite total by thermal gravimetric analysis (TGA). The capillary suction coefficient and an analysis by a scanning electron microscope (SEM) was made. There was a large increase in Vickers surface hardness for 5% n-Si mortar and a slight increase in resistance to abrasion. No significant difference was found between the mortars with nano-particles, whose LA was about 10.8, classifying them as materials with good resistance to abrasion. The microstructure shows that the addition of n-Si in mortars refines their porous matrix, increases the amount of hydrated gels and generates significant changes in both Portlandite and Ettringite. This produced a significant improvement in freeze–thaw cycle resistance. The effect of n-Al on mortar was null or negative with respect to freeze–thaw cycle resistance.

Formación tardía de etringita en fibrocemento.

La temperatura de curado, utilizada por la industria de fibrocemento como catalizador en la hidratación del cemento para lograr alta resistencia inicial en sus productos, genera la hipótesis de expansión causada por formación tardía de etringita. Para el planteamiento de dicha hipótesis, el siguiente estudio contempló dos grupos de muestras con el objetivo de estudiar aisladamente su comportamiento químico y físico: uno de los grupos conformado por pasta cementicia con 35% de sustitución de calcario, y el otro conformado por fibrocemento con incorporación de PVA y celulosa. Por calorimetría isotérmica se observó la cinética de reacción de dos pastas, una de ellas curada a 23 ºC y la otra a 85 ºC donde esta última experimentó un efecto catalizador en sus reacciones. Ensayos de DRX y DTG/TG mostraron la presencia de etringita a 23 °C durante todas las edades de hidratación exhibiendo una tendencia de aumento en la intensidad de los picos y en la cantidad, respectivamente, en función del tiempo; sin embargo, a 85 ºC la presencia de esta fase fue inconstante durante las primeras edades de hidratación, a partir de mes de hidratación mostró aumento en cada una de las siguientes medidas realizadas mensualmente; a 85 °C hubo una menor formación de portlandita en comparación con los resultados obtenidos a 23 °C. Utilizando el método Rietveld y análisis químico fueron determinadas las cantidades y las composiciones químicas, respectivamente, de las fases del cemento anhidro y del calcario para alimentar el programa GEMS y simular la hidratación de la pasta estudiada en laboratorio para un tiempo infinito bajo la influencia de la temperatura. Simulaciones de la hidratación de la pasta se aproximaron a los resultados reportados por la revisión bibliográfica permitiendo predecir la presencia de fases en función de la estabilidad termodinámica. Resultados de porosimetría por inyección de mercurio mostraron una mayor concentración de poros, asociados a defectos, en muestras curadas a 85°C con respecto a las de 23 °C. Finalmente, medidas de variación longitudinal para muestras de fibrocemento elaboradas en laboratorio y en fábrica presentaron dispersión en los resultados de expansión para cada uno de los escenarios sin poder correlacionar todos los datos con el aumento de masa exhibido por cada una de las muestras; no obstante, se resalta el riesgo de deterioro del fibrocemento por el aumento de defectos causado por la temperatura así como la creación de todas las condiciones necesarias que favorecen la formación tardía de etringita a partir del proceso de fabricación empleado para este producto.

Electrochemical chloride extraction to halt corrosion of reinforcement

This thesis presents results of experiments designed to study the effect of applying electrochemical chloride extraction (ECE) to a range of different hardened cement pastes. Rectangular prism specimens of hydrated cement paste containing sodium chloride at different concentrations were subjected to electrolysis between the embedded steel cathodes and external anodes of activated titanium mesh. The cathodic current density used was in the range of 1 to 5 A/m2 with treatment periods of 4 to 12 weeks. After treatment, the specimens were cut into sections which were subjected to pore-solution expression and analysis in order to determine changes in the distribution of free and total ionic species. The effect of the ECE treatment on the physical and microstructural properties of the cements was studied by using microhardness and MIP techniques. XRD was employed to look at the possibility of ettringite redistribution as a result of the accumulation of soluble sulphate ions in the cement matrix near the cathode during ECE. Remigration of chloride which remains after the ECE treatment and distribution of other ions were studied by analysing specimens which had been stored for several months, after undergoing ECE treatment. The potentials of the steel cathodes were also monitored over the period to detect any changes in their corrosion state. The main findings of this research were as follows: 1, ECE, as applied in this investigation, was capable of removing both free and bound chloride. The removal process occurred relatively quickly and an equilibrium between free and bound chlorides in the specimens was maintained throughout. At the same time, alkali concentrations in the pore solution near the steel cathode increased. The soluble sulphate ionic concentration near the cathode also increased due to the local increase in the pH of the pore solution. 2, ECE caused some changes in physical and microstructural of the cement matrix. However these changes were minimal and in the case of microhardness, the results were highly scattered. Ettringite in the bulk material well away from the cathode was found not to increase significantly with the increase in charge passed.3, Remigration of chloride and other ionic species occurred slowly after cessation of ECE with a resultant gradual increase in the Cl-/OH- ratio around the steel.4, The removal of chloride from blended cements was slower than that from OPC.

Avaliação da potencialidade de incorporação de um lodo de uma indústria de produtos de limpeza como adição mineral em concretos de cimento Portland

The generation of industrial wastes has been increased more and more in recent decades, motivating studies about a correct sustainable allocation and that also represents advantages for their generators. In this context, are included two companies of cleaning products niche, located in São José do Mipibu/RN, that produces industrial sludge at a sewage treatment plant, and that is the main approach of this research. Given this, it was studied the incorporation potentiality of this sludge as a mineral addition in cement matrix for concrete production due it high capacity of wastes immobilization inside this material, which are subsequently used in the company for making precast articles. Were added different sludge concentrations (5, 10, 15 and 20%) in a common trait (1: 2: 3), and evaluated their techniques and microstructural implications via workability test in fresh state and compressive strength, full porosity and scanning electron microscopy (SEM) in the hardened state. The results demonstrated the feasibility of the process both from a technical and environmental view as economical. All concretes produced with residue showed an increase of workability given the nature of the waste that had surfactants substances capable of adsorbing tiny particles of air into the batter. However, for all concentrations were obtained lower compressive resistances than standard concrete, with a reduction of 39% for samples with 20% of sludge. This are attributed mainly to an increase of porosity in the transition zone of these material, resulting from increased formation of ettringite at the detriment to the formation of other compounds, but which still allows the use of these for the manufacture of concrete articles with non-structural nature, such as precast floor. In addition, the water absorption and void ratio increased slightly for all samples, except the concrete with 20% of waste that has a reduction for the last parameter. Given this context, the recommended maximum level is 20%, constituting a significant proportion and able to allocate sustainably all waste generated in the industry.

Concrete deterioration due to sulfide-bearing aggregates

Dans la région de Trois-Rivières (Québec, Canada), plus de 1 000 bâtiments résidentiels et commerciaux montrent de graves problèmes de détérioration du béton. Les problèmes de détérioration sont liés à l’oxydation des sulfures de fer incorporés dans le granulat utilisé pour la confection du béton. Ce projet de doctorat vise à mieux comprendre les mécanismes responsables de la détérioration de béton incorporant des granulats contenant des sulfures de fer, et ce afin de développer une méthodologie pour évaluer efficacement la réactivité potentielle de ce type de granulats. Un examen pétrographique détaillé de carottes de béton extraites de fondations résidentielles montrant différents degré d’endommagement a été réalisé. Le granulat problématique contenant des sulfures de fer a été identifié comme un gabbro à hypersthène incorporant différentes proportions (selon les différentes localisations dans les deux carrières d’origine) de pyrrhotite, pyrite, chalcopyrite et pentlandite. Les produits de réaction secondaires observés dans les échantillons dégradés comprennent des formes minérales de "rouille", gypse, ettringite et thaumasite. Ces observations ont permis de déterminer qu’en présence d’eau et d’oxygène, la pyrrhotite s’oxyde pour former des oxyhydroxides de fer et de l’acide sulfurique qui provoquent une attaque aux sulfates dans le béton. Tout d’abord, la fiabilité de l’approche chimique proposée dans la norme européenne NF EN 12 620, qui consiste à mesurer la teneur en soufre total (ST,% en masse) dans le granulat pour détecter la présence (ou non) de sulfures de fer, a été évaluée de façon critique. Environ 50% (21/43) des granulats testés, représentant une variété de types de roches/lithologies, a montré une ST > 0,10%, montrant qu’une proportion importante de types de roches ne contient pas une quantité notable de sulfure, qui, pour la plupart d’entre eux, sont susceptibles d’être inoffensifs dans le béton. Ces types de roches/granulats nécessiteraient toutefois d’autres tests pour identifier la présence potentielle de pyrrhotite compte tenu de la limite de ST de 0,10 % proposée dans les normes européennes. Basé sur une revue exhaustive de la littérature et de nombreuses analyses de laboratoire, un test accéléré d’expansion sur barres de mortier divisé en deux phases a ensuite été développé pour reproduire, en laboratoire, les mécanismes de détérioration observés à Trois-Rivières. Le test consiste en un conditionnement de 90 jours à 80°C/80% RH, avec 2 cycles de mouillage de trois heures chacun, par semaine, dans une solution d’hypochlorite de sodium (eau de javel) à 6% (Phase I), suivi d’une période pouvant atteindre 90 jours de conditionnement à 4°C/100 % HR (Phase II). Les granulats ayant un potentiel d’oxydation ont présenté une expansion de 0,10 % au cours de la Phase I, tandis que la formation potentielle de thaumasite est détectée par le regain rapide de l’expansion suivi par la destruction des échantillons durant la Phase II. Un test de consommation d’oxygène a également été modifié à partir d’un test de Drainage Minier Acide, afin d’évaluer quantitativement le potentiel d’oxydation des sulfures de fer incorporés dans les granulats à béton. Cette technique mesure le taux de consommation d’oxygène dans la partie supérieure d’un cylindre fermé contenant une couche de matériau compacté afin de déterminer son potentiel d’oxydation. Des paramètres optimisés pour évaluer le potentiel d’oxydation des granulats comprennent une taille de particule inférieure à 150 μm, saturation à 40 %, un rapport de 10 cm d’épaisseur de granulat par 10 cm de dégagement et trois heures d’essai à 22ᵒC. Les résultats obtenus montrent que le test est capable de discriminer les granulats contenant des sulfures de fer des granulats de contrôle (sans sulfures de fer) avec un seuil limite fixé à 5% d’oxygène consommé. Finalement, un protocole d’évaluation capable d’estimer les effets néfastes potentiels des granulats à béton incorporant des sulfures de fer a été proposé. Le protocole est divisé en 3 grandes phases: (1) mesure de la teneur en soufre total, (2) évaluation de la consommation d’oxygène, et (3) un test accéléré d’expansion sur barres de mortier. Des limites provisoires sont proposées pour chaque phase du protocole, qui doivent être encore validées par la mise à l’essai d’un plus large éventail de granulats.

Optimization of wastepaper sludge ash (WSA) in robust cementitious systems

Abstract : Wastepaper sludge ash (WSA) is generated by a cogeneration station by burning wastepaper sludge. It mainly consists of amorphous aluminosilicate phase, anhydrite, gehlenite, calcite, lime, C2S, C3A, quartz, anorthite, traces of mayenite. Because of its free lime content (~10%), WSA suspension has a high pH (13). Previous researchers have found that the WSA composition has poor robustness and the variations lead to some unsoundness for Portland cement (PC) blended WSA concrete. This thesis focused on the use of WSA in different types of concrete mixes to avoid the deleterious effect of the expansion due to the WSA hydration. As a result, WSA were used in making alkali-activated materials (AAMs) as a precursor source and as a potential activator in consideration of its amorphous content and the high alkaline nature. Moreover, the autogenous shrinkage behavior of PC concrete at low w/b ratio was used in order to compensate the expansion effect due to WSA. The concrete properties as well as the volume change were investigated for the modified WSA blended concrete. The reaction mechanism and microstructure of newly formed binder were evaluated by X-ray diffraction (XRD), calorimetry, thermogravimetric analysis (TGA), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). When WSA was used as precursor, the results showed incompatible reaction between WSA and alkaline solution. The mixtures were not workable and provided very low compressive strength no matter what kinds of chemical activators were used. This was due to the metallic aluminum in WSA, which releases abundant hydrogen gas when WSA reacts with strong alkaline solution. Besides, the results of this thesis showed that WSA can activate the glassy phase contained in slag, glass powder (GP) and class F fly ash (FFA) with an optimum blended ratio of 50:50. The WSA/slag (mass ratio of 50:50) mortar (w/b of 0.47) attained 46 MPa at 28 days without heat curing assistance. A significant fast setting was noticed for the WSA-activated binder due to the C3A phase, free lime and metallic aluminum contained in the WSA. Adding 5% of gypsum can delay the fast setting, but this greatly increased the potential risk of intern sulfate attack. The XRD, TGA and calorimetry analyses demonstrated the formation of ettringite, C-S-H, portlandite, hydrogarnet and calcium carboaluminate in the hydrated binder. The mechanical performance of different binder was closely related to the microstructure of corresponding binder which was proved by the SEM observation. The hydrated WSA/slag and WSA/FFA binder formed a C-A-S-H type of gel with lower Ca/Si ratio (0.47~1.6). A hybrid gel (i.e. C-N-A-S-H) was observed for the WSA/GP binder with a very low Ca/Si ratio (0.26) and Na/Si ratio (0.03). The SEM/EDX analyses displayed the formation of expansive gel (ettringite and thaumasite) in the gypsum added WSA/slag concrete. The gradual emission of hydrogen gas due to the reaction of WSA with alkaline environment significantly increased the porosity and degraded the microstructure of hydrated matrix after the setting. In the last phase of this research WSA-PC blended binder was tailored to form a high autogenous shrinkage concrete in order to compensate the initial expansion. Different binders were proportioned with PC, WSA, silica fume or slag. The microstructure and mechanical properties of concrete can be improved by decreasing w/b ratios and by incorporating silica fume or slag. The 28-day compressive strength of WSA-blended concrete was above 22 MPa and reached 45 MPa when silica fume was added. The PC concrete incorporating silica fume or slag tended to develop higher autogenous shrinkage at low w/b ratios, and thus the ternary binder with the addition of WSA inhibited the long term shrinkage due to the initial expansion property to WSA. In the restrained shrinkage test, the concrete ring incorporating the ternary binder (PC/WSA/slag) revealed negligible potential to cracking up to 96 days as a result of the offset effect by WSA expansion. The WSA blended regular concrete could be produced for potential applications with reduced expansion, good mechanical property and lower permeability.

Mitigation of High Alkalinity in Leachates of Aged Steel Slag

Steel slag, an abundant by-product of the steel-making industry, after it is aged, has a huge potential for use as an aggregate in road construction. However, the high pH of steel slag seepage (pH≥12) is a major impediment in its beneficial use. Analyses on aged steel slag samples demonstrated that the alkalinity producing capacity of aged steel slag samples strongly correlated to Ca(OH)2 dissolution and that prolonged aging periods have marginal effects on overall alkalinity. Treatment methods that included bitumen-coating, bathing in Al(III) solutions and addition of an alum-based drinking water treatment residual (WTR) were evaluated based on reduction in pH levels and leachate alkalinity. 10% (wt./wt.) alum-based drinking water treatment residual (WTR) addition to slag was determined to be the most successful mitigation method, providing 65−70% reduction in alkalinity both in batch-type and column leach tests, but final leachate pH was only 0.5−1 units lower and leachates were contaminated by dissolved Al(+III) (≥3−4 mM). Based on the interpretation of calculated saturation indices and SEM and EDX analyses, formation of calcium sulfoaluminate phases (i.e., ettringite and monosulfate) was suggested as the mechanism behind alkalinity mitigation upon WTR-modification. The residual alkalinity in WTR-amended slag leachates was able to be completely eliminated utilizing a biosolids compost with high base neutralization capacity. In column leach tests, effluent pH levels below 7 were maintained for 58−74 pore volumes worth of WTR-amended slag leachate using 0.13 kg compost (dry wt.) per 1 kg WTR-amended slag on average; also, dissolved Al(+III) was strongly retained on the compost.

The Performance and Service Life Prediction of High Performance Concrete in Sulfate and Acidic Environments

Concrete substructures are often subjected to environmental deterioration, such as sulfate and acid attack, which leads to severe damage and causes structure degradation or even failure. In order to improve the durability of concrete, the High Performance Concrete (HPC) has become widely used by partially replacing cement with pozzolanic materials. However, HPC degradation mechanisms in sulfate and acidic environments are not completely understood. It is therefore important to evaluate the performance of the HPC in such conditions and predict concrete service life by establishing degradation models. This study began with a review of available environmental data in the State of Florida. A total of seven bridges have been inspected. Concrete cores were taken from these bridge piles and were subjected for microstructural analysis using Scanning Electron Microscope (SEM). Ettringite is found to be the products of sulfate attack in sulfate and acidic condition. In order to quantitatively analyze concrete deterioration level, an image processing program is designed using Matlab to obtain quantitative data. Crack percentage (Acrack/Asurface) is used to evaluate concrete deterioration. Thereafter, correlation analysis was performed to find the correlation between five related variables and concrete deterioration. Environmental sulfate concentration and bridge age were found to be positively correlated, while environmental pH level was found to be negatively correlated. Besides environmental conditions, concrete property factor was also included in the equation. It was derived from laboratory testing data. Experimental tests were carried out implementing accelerated expansion test under controlled environment. Specimens of eight different mix designs were prepared. The effect of pozzolanic replacement rate was taken into consideration in the empirical equation. And the empirical equation was validated with existing bridges. Results show that the proposed equations compared well with field test results with a maximum deviation of ± 20%. Two examples showing how to use the proposed equations are provided to guide the practical implementation. In conclusion, the proposed approach of relating microcracks to deterioration is a better method than existing diffusion and sorption models since sulfate attack cause cracking in concrete. Imaging technique provided in this study can also be used to quantitatively analyze concrete samples.