Los materiales autosanables son materiales con la capacidad de reparar sus daños de forma autónoma o con ayuda mínima de estímulos externos. En el campo de la construcción, el desarrollo de elementos autosanables aumentará la durabilidad de las estructuras y reducirá las acciones de mantenimiento y reparación. Los elementos de hormigón armado presentan frecuentemente pequeñas fisuras (< 0.3 mm), no relevantes mecánicamente, pero que pueden suponer un punto de entrada para agentes agresivos. El hormigón tiene una cierta capacidad de autosanación, capaz de cerrar pequeñas fisuras, producida principalmente por la hidratación continuada y la carbonatación. Estudios recientes han intentado mejorar dicha capacidad y diseñar productos específicos para conseguirla. Estos productos incluyen, entre otros, aditivos cristalinos, agentes micro o macroencapsulados, e incluso el uso de bacterias. Los aditivos cristalinos (CA) son un tipo de aditivo para hormigón que se considera que aporta propiedades de autosanación. No obstante, la falta de conocimiento sobre su comportamiento limita su uso. Además, los métodos para evaluar la autosanación en hormigones no están estandarizados todavía. Esto complica la realización de un análisis crítico de los diferentes productos y métodos de evaluación propuestos en la literatura. Para responder a esta falta de conocimiento, los objetivos de esta tesis son: 1) estudiar y proponer procedimientos experimentales para evaluar los fenómenos de autosanación en hormigón y, 2) evaluar experimentalmente las mejoras producidas al introducir aditivos cristalinos. Esta tesis incluye como ensayos para la determinación de la autosanación: la evaluación del cierre de fisuras, la permeabilidad al agua, flexión a tres puntos y absorción capilar. Además, se han realizado varias campañas experimentales para validar los ensayos propuestos. Posteriormente, estos ensayos se han utilizado para analizar la influencia de varios parámetros, incluyendo entre otros: presencia de aditivos cristalinos, nivel de daño, tiempo necesario para el sanado, composición del hormigón y condiciones de sanado. Finalmente, se analizan los efectos producidos al añadir aditivos cristalinos en hormigón en la fluidez, resistencia e hidratación. Los resultados muestran que el cierre de fisuras es un ensayo eficaz y sencillo para evaluar la autosanación. Sin embargo, la orientación de la fisura durante el sanado ha resultado ser de gran importancia, y no considerar este aspecto puede llevar a conclusiones engañosas. El ensayo de permeabilidad al agua propuesto en este trabajo presenta una buena estabilidad y es fácil de implementar en laboratorios. Además, las relaciones obtenidas entre los parámetros de fisura y la permeabilidad del agua han confirmado la relación cúbica indicada en la literatura. Este trabajo muestra que analizar la eficiencia de autosanado mediante el cierre de fisuras puede llevar a una sobreestimación de la capacidad de sanación, comparada con los resultados obtenidos mediante permeabilidad. Los ensayos de sorptividad resultaron fáciles de implementar, sin embargo, los resultados obtenidos mostraron una alta dispersión y sensibilidad a las variaciones en las fisuras producidas durante el proceso de prefisuración. En cuanto a la evaluación de la recuperación mecánica, los resultados muestran que la evolución de las propiedades del hormigón con el tiempo es un parámetro que debe considerarse, especialmente en fisuras de edades tempranas. En este trabajo se ha obtenido que los aditivos cristalinos potencian las reacciones de autosanación, pero tienen una capacidad limitada. La proximidad de los CA a la industria es un punto positivo para su inclusión como un nuevo tipo de aditivo de hormigón. Sin embargo, los resultados obtenidos en esta tesis indican que se necesitan más análisis para determinar sus efectos completos en hormigón, especialmente con respect / Self-healing materials are materials with the capability to repair their damage autonomously or with minimal help from an external stimulus. In the construction field, the development of self-healing elements will increase the durability of structures and reduce their maintenance and repair actions. Reinforced concrete elements frequently suffer small cracks (< 0.3 mm), not relevant mechanically, but they can be an entrance point for aggressive agents. Concrete has a natural self-healing capability able to seal small cracks, produced by the continuing hydration and carbonation processes. Recent studies have attempted to improve that healing capability and to design specific products to achieve it. These products include, among others: crystalline admixtures, micro- or macro-encapsulated agents, and even the use of bacteria. Crystalline admixtures (CA) are a concrete admixture that is claimed to provide self-healing properties. However, the lack of knowledge on their behavior and self-healing properties limits their usage. In addition, the methods to evaluate the self-healing capability of mortar and concrete are not standardized yet. This complicates the performance of a critical analysis of the different self-healing products and evaluation methods found in the literature. In order to answer to this lack of knowledge, the objectives of this thesis are: 1) to study and propose experimental procedures in order to evaluate self-healing in concrete and, 2) to evaluate experimentally the self-healing enhancements produced when introducing crystalline admixtures. This thesis includes the following tests for the determination of the self-healing: the evaluation of crack closing, water permeability, three point bending tests and capillary absorption test. In addition, several experimental campaigns have been performed with the objective of validating the proposed tests. Afterwards, these methods have been used to analyze the influence of several parameters, including among others: the presence of crystalline admixtures, the damage extent, healing time needed, concrete composition and healing conditions. Finally, the effects that crystalline admixtures produce in concrete are analyzed in terms of slump, strength and hydration. The results show that crack closing is an effective and simple method to evaluate self-healing. However, the orientation of the crack during healing is of great importance, and disregarding this aspect may lead to misleading conclusions. The water permeability method proposed in this work has good stability and it is easy to implement in concrete laboratories. Moreover, the relations obtained between crack parameters and water permeability confirmed the cubic relation, as reported in the literature. This work shows that analyzing healing efficiency by means of crack closing tends to overestimate self-healing if compared with the results obtained by means of water permeability. Sorptivity analysis tests were easy to implement, however, the results obtained in this work showed high dispersion and sensitivity to the variations of the cracks introduced during the precracking process. Regarding the evaluation of mechanical recoveries, the results show that the evolution of concrete properties with time is a parameter of importance that, therefore, should be considered, especially for early age cracks. In this work, crystalline admixtures have been reported as an enhancer of self-healing reactions, but with a limited capacity of enhancement. The proximity of CA to the industry is a positive point to their inclusion as a new type of admixture for concrete. However, the results obtained in this thesis indicate further analyses are needed to determine their full effects on concrete, especially regarding self-healing. / Els materials autosanables són materials amb la capacitat de reparar els seus danys de forma autònoma o amb ajuda mínima d'estímuls externs. En el camp de la construcció, el desenvolupament d'elements autosanables augmentarà la durabilitat de les estructures i reduirà les accions de manteniment i reparació. Els elements de formigó armat presenten freqüentment fissures menudes (< 0.3 mm), no rellevants des del punt de vista mecànic, però poden suposar un punt d'entrada per a agents agressius. El formigó té una capacitat de autosanació capaç de tancar fissures menudes, produïda principalment per la hidratació continuada i la carbonatació. Estudis recents han intentat millorar eixa capacitat i dissenyar productes específics per aconseguir-la. Aquests productes inclouen, entre d'altres, additius cristal·lins, agents micro- o macroencapsulats, i fins i tot l'ús de bacteris. Els additius cristal·lins (CA) són un tipus d'additiu reductor per formigó que es considera que proporciona propietats de autosanació. No obstant, la manca de coneixement sobre el seu comportament limita el seu ús. A més, els mètodes per avaluar la autosanació de formigons encara no estan estandarditzats. Açò complica la realització d'una anàlisi crítica dels diferents productes i mètodes d'avaluació proposats a la literatura. Per respondre a aquesta manca de coneixement, els objectius d'aquesta tesi són: 1) estudiar i proposar procediments experimentals per avaluar els fenòmens d'autosanació en formigó i, 2) avaluar experimentalment les millores produïdes en introduir additius cristal·lins. Aquesta tesi inclou com assajos per a la determinació de l'autosanació: l'avaluació del tancament de fissures, la permeabilitat a l'aigua, flexió a tres punts i absorció capil·lar. A més, s'han realitzat diverses campanyes experimentals per validar els assajos proposats. Posteriorment, aquests assajos s'han utilitzat per analitzar la influència de diversos paràmetres: presència d'additius cristal·lins, nivell de dany, temps necessari per a la sanació, composició del formigó i condicions de sanació. Finalment, s'analitzen els efectes produïts en afegir additius cristal·lins en formigó en fluïdesa, resistència i hidratació. Els resultats mostren que el tancament de fissures és un assaig eficaç i senzill per avaluar l'autosanació. No obstant això, l'orientació de la fissura durant la sanació ha resultat ser de gran importància, i no considerar aquest aspecte pot portar a conclusions enganyoses. L'assaig de permeabilitat a l'aigua proposat presenta una bona estabilitat i és fàcil d'implementar en laboratoris. A més, les relacions obtingudes entre els paràmetres de fissura i la permeabilitat a l'aigua han confirmat la relació cúbica de la literatura. Aquest treball mostra que analitzar l'eficiència de l'autosanació amb el tancament de fissures pot sobreestimar la capacitat de sanació, comparada amb els resultats obtinguts-dues mitjançant permeabilitat a l'aigua. Els assajos de sorptivitat van resultar fàcils d'implementar, però, els resultats obtinguts en aquest treball van mostrar una alta dispersió i sensibilitat a les variacions en les fissures produïdes durant el procés de prefissuració. Pel que fa a l'avaluació de la recuperació mecànica, els resultats mostren que l'evolució de les propietats del formigó amb el temps és un paràmetre d'importància que, per tant, s'ha de considerar, especialment per fissures primerenques. En aquest treball s'ha obtingut que els additius cristal·lins potencien les reaccions d'autosanació, però tenen una capacitat limitada. La proximitat dels CA a la indústria és un punt positiu per a la seva inclusió com un nou tipus d'additiu de formigó. Tanmateix, els resultats obtinguts en aquesta tesi indiquen que calen més anàlisis per determinar els seus efectes complets en formigó, especialment pel que fa a l'autosanació. / Roig Flores, M. (2018). Self-healing concrete: efficiency evaluation and enhancement with crystalline admixtures [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/100082 / TESIS

[ES] El hormigón es considerado como uno de los principales materiales de construcción más ampliamente utilizado en obras de infraestructuras. Su consideración como material de gran durabilidad y su ventajosa relación calidad-precio en comparación con otros materiales le ha hecho indispensable en la era moderna. Sin embargo, las fisuras son prácticamente inevitables en las estructuras de hormigón armado y se consideran como uno de sus puntos débiles, ya que comprometen la durabilidad de las infraestructuras y pueden generar condiciones inseguras. Hay muchas técnicas de reparación para sellar y sanar las fisuras, pero suelen ser costosas y requieren tiempo de intervención. Por esta razón, en los últimos años, se han realizado muchas investigaciones buscando alternativas para resolver estos problemas desarrollando una nueva generación de hormigones que se han denominado hormigones auto sanables. Se ha demostrado que las tecnologías de auto sanado cierran eficazmente las fisuras parcial o totalmente en un sistema cementoso. Sin embargo, los estudios a nivel del hormigón son todavía bastante limitados y en la mayoría de los casos las dosificaciones de la mezcla no fueron optimizados para la introducción de agentes de autosanado. Del estudio amplio de la literatura se aprecia que la incorporación de agentes de autosanado no siempre conllevan efectos positivos en las propiedades del hormigón. En consecuencia, según el tipo de agente de sellado/sanado, será necesario optimizar la dosificación para garantizar que no reduce en alguna medida las prestaciones del hormigón colocado. Se analiza un amplio espectro de agentes de sanado/sellado: bacterias (BAC), adiciones cristalinas (CA), biomasas y agentes incorporados en micro o macro cápsulas. Previamente a su introducción en el hormigón se evaluó su compatibilidad con los materiales cementosos, como información básica para el diseño de las mezclas. La optimización del diseño de las mezclas de hormigón se llevó a cabo dependiendo del agente elegido y los objetivos de la investigación. Al utilizar CA, se encontró que aumentar su dosis y el contenido en cemento conducía a mejorar la eficiencia de curación (HE) y la de sellado (SE). La variación de la relación agua-cemento (a/c) no produjo una mejora notable de HE y SE. Se profundizó el conocimiento sobre las propiedades de adherencia entre las armaduras y la matriz de hormigón. La inclusión de agentes de sanado (BAC, CA, biomasas) conllevó la mejora de la adherencia con un crecimiento del 57% cuando se adiciona CA. Aunque la presencia de fisuras longitudinales redujo críticamente la adherencia, se logró una recuperación importante gracias a los efectos del auto sanado. Se encontraron efectos contrapuestos del uso de microcápsulas. Se confirma una reducción significativa de la resistencia mecánica y una mejora significativa del sellado. Los parámetros de diseño de mezcla se optimizaron para compensar la reducción de resistencia, con un programa experimental con diseño factorial completo. Por la estructura inerte, las macrocápsulas tiende a perturbar el empaquetamiento de los áridos. Para la optimización de la mezcla se desarrolló un modelo de empaquetamiento de partículas modificado para predecir la proporción de huecos de las mezclas de áridos y cápsulas. Con todo, el resultado de esta investigación puede servir como guía para comprender la contribución de los parámetros de diseño de mezclas que afectan las propiedades de auto sanado, que potencialmente ayudará a investigadores e ingenieros a formular mezclas de hormigón para aplicaciones de auto sanado. / [CA] El formigó és considerat un dels principals materials de construcció més àmpliament utilitzat en obres d'infraestructures. La seua consideració com a material de gran durabilitat i la seua relació qualitat-preu avantatjosa en comparació amb altres materials l'ha fet indispensable en l'era moderna. Tot i això, les fissures són pràcticament inevitables en les estructures de formigó armat i es consideren com un dels seus punts febles, ja que comprometen la durabilitat de les infraestructures i poden generar condicions insegures. Hi ha moltes tècniques de reparació per segellar i curar les fissures, però solen ser costoses i requereixen temps d'intervenció. Per aquesta raó, en els darrers anys, s'han realitzat moltes investigacions buscant alternatives per resoldre aquests problemes desenvolupant una nova generació de formigons que s'han anomenat formigons auto sanables. S'ha demostrat que les tecnologies de auto curat tanquen eficaçment les fissures parcialment o totalment en un sistema de ciment. Tot i això, els estudis a nivell del formigó són encara força limitats i en la majoria dels casos les dosificacions no van ser optimitzades per a la introducció d'agents d'auto curat. De l'estudi ampli de la literatura s'aprecia que la incorporació d'agents d'auto curat no sempre comporta efectes positius en les propietats del formigó. En conseqüència, segons el tipus d'agent de segellat/curat, cal optimitzar la dosificació per garantir que no redueix en alguna mesura les prestacions del formigó. S'analitza un ampli espectre d'agents de curat / segellament: bacteris (BAC), addicions cristal·lines (CA), biomassa i agents incorporats en micro o macro càpsules. Prèviament a la seua introducció al formigó es va avaluar la compatibilitat amb els conglomerants, com a informació bàsica per al disseny de mescles. L'optimització del disseny de les mescles de formigó es va dur a terme depenent de l'agent elegit i els objectius de la investigació. En utilitzar CA, es va trobar que augmentar-ne la dosi i el contingut en ciment conduïa a millorar l'eficiència de curació (HE) i la de segellat (SE). La variació de la relació aigua-ciment (a/c) no va produir una millora notable de HE i SE. S'aprofundí el coneixement sobre les propietats d'adherència entre les armadures i la matriu de formigó. La inclusió d'agents de curació (BAC, CA, biomassa) va comportar la millora de l'adherència amb un creixement del 57% quan s'hi afegeix CA. Tot i que la presència de fissures longitudinals va reduir críticament l'adherència, es va aconseguir una recuperació important gràcies als efectes del auto curat. S'han trobat efectes contraposats de l'ús de microcàpsules. Es confirma una reducció significativa de la resistència mecànica i una millora significativa del segellat. Els paràmetres de disseny de mescla es van optimitzar per compensar la reducció de resistència, amb un programa experimental amb disseny factorial complet. Per la seua estructura inert, les macrocàpsules tendeixen a pertorbar l'empaquetament dels àrids. Per optimitzar la mescles es va desenvolupar un model d'empaquetament de partícules modificat per predir la proporció de buits de les mescles d'àrids i càpsules. Amb tot, el resultat d'aquesta investigació pot servir com a guia per comprendre la contribució dels paràmetres de disseny de barreges que afecten les propietats de auto curat, que potencialment ajudarà investigadors i enginyers a formular barreges de formigó per a aplicacions de auto curat. / [EN] Concrete has been widely used as a major material for infrastructure works. The durable character and the advantageous price-quality ratio compared to other materials have made concrete indispensable in the modern era. However, cracks in concrete structures are inevitable and are known as one of the inherent weaknesses of concrete, thereby making a threat to the durability of infrastructure which can lead to unsafe conditions. There are many repair techniques to seal and heal the cracks, but these approaches are costly and time-consuming. Therefore, during past years, many researchers searched for alternatives to solve these problems by developing a new generation of concrete namely self-healing concrete. Self-healing technologies have proven to effectively close cracks partially or fully in the cementitious system. However, studies on the concrete level are still rather limited and in most cases, the mix designs were not optimized for the introduction of healing agents. Based on a comprehensive literature, it was revealed that not all healing/sealing agents induce positive effects to the concrete properties. Consequently, an optimization of the mix designs is necessary to guarantee that these agents do not negatively affect the concrete properties to some extent. In this PhD dissertation, a wide range of healing/sealing agents were utilized such as bacteria (BAC), crystalline admixture (CA), biomasses, micro- and macro-encapsulated agents. Prior to the introduction of these agents into the concrete, the compatibility between healing/sealing agents and cementitious materials was evaluated to serve as a basic input for designing the concrete mixtures. The optimizations of concrete mix designs were carried out depending on the choice of the agents and the research objectives. When using CA, it was found that increasing the CA dosage and cement content in the mix design improved the healing efficiency (HE) and sealing efficiency (SE). Varying the water-cement ratio (w/c) did not give a remarkable improvement of HE and SE. A deep insight in the bond properties between the steel reinforcement and the self-healing concrete matrix was achieved. The inclusion of healing agents (i.e., BAC, CA, biomasses) possessed a bond strength improvement with the highest enhancement of 57% attained by the CA addition. Although the presence of a longitudinal crack critically reduced the bond strength, a bond restoration was achieved due to self-healing effects. Dual effects of using microcapsules were found, confirming a significant reduction of mechanical strength and a significant sealing improvement. Therefore, the mix design parameters were optimized to compensate the strength reduction via full factorial designs. With respect to the inert structure, the incorporation of macrocapsules tended to disturb the packing of aggregates. Hence, a modified particle packing model was developed to predict the voids ratio of aggregate-capsules mixtures. All in all, the outcome of this PhD research can serve as a guidance to understand the contribution of mix design parameters affecting the self-healing concrete properties. This potentially helps researchers and engineers to formulate their concrete mixtures for self-healing application. / This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No 860006. / Hermawan, H. (2023). Optimised Mix designs for Self-Healing Concrete [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202610