Ministerio de Educación, Cultura y Deporte. Beca FPU 12/03242

Esta tesis es una contribución al conocimiento y la investigación sobre la durabilidad de hormigones con árido reciclado en un ambiente marino como aporte científico y soporte para la elaboración de recomendaciones sobre el uso de este material. La industria de la construcción extrae recursos naturales y deposita residuos de construcción y demolición de grandes cantidades, lo cual tiene implicaciones ambientales y económicas que no se consideran sostenibles. Por ello los gobiernos intentan promover políticas y recomendaciones destinadas a reducir el uso de los recursos primarios y al aumento de la reutilización y el reciclaje. El interés en el uso de áridos reciclados procedentes de residuos de construcción y demolición (RCD) está en continuo crecimiento debido a su potencial frente a diversos usos, entre ellos su utilización como árido en la fabricación de nuevos hormigones, siendo ambientalmente responsable, tecnológicamente válido y económicamente viable. La utilización de árido reciclado de RCD en la producción de hormigón estructural puede afectar su comportamiento frente a propiedades mecánicas y de durabilidad debido a las características particulares del árido como su alta absorción. En el desarrollo de este trabajo se evaluó el comportamiento mecánico y la durabilidad frente a un ambiente marino, para un hormigón estructural con distintos porcentajes de sustitución de árido reciclado grueso (0%, 20%, 50% y 100%) y dos relaciones agua efectiva cemento 0,45 y 0,50 mantenidas a lo largo de la investigación, analizando los mecanismos de transporte que permiten el ingreso y movimiento de los cloruros en el hormigón hasta la armadura, que puede generar la corrosión de armaduras, catalogada como la causa de daño que más afecta a las estructuras de hormigón. Para el desarrollo de esta tesis fueron empleados áridos reciclados producidos en plantas de gestión de residuos españolas. En una primera etapa que corresponde a los estudios previos, fueron determinadas las c / Ulloa Mayorga, VA. (2012). Durabilidad de hormigones armados, con árido reciclado: Una evaluación de la corrosión en un ambiente marino [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16700

[EN] One binder with less "carbon footprint" is investigated, by replacing 50% of cement Portland (CP) siliceous fly ash (CV), adding hydrated lime (CL) being the CL/CV=0.20 ratio (in some CL/CV will be 0.10). In previous work, in which these authors, (Calabuig and Lorca, 2009, Lorca et al, 2014) are involved, the advantages of CP ternary systems studied were CV:CL with good results. This research aims to go a step further to improve these systems. For this purpose, the CV joint grinding and CL "(CV:CL)m" increasing fineness and improving homogeneity and reactivity of both components. This thesis comprises research into the physical behavior and/or hydrated lime pozzolan in simple systems and binary CP:CP:CV. It also studies the compressive strength of binder varying the ratio water/binder (w/b) the type of binder, contrasting the results with respect to the binder CP:(CV:CL)m. These binary systems CP/CV=1 ratio and CL/CV=0.20 ratio. A study of durability of microconcretes is relative w/b=0.5, contrasting the performance of CP and CP:CV systems CP:CV regarding (CV:CL)m. The tests consist mainly on the durability of concrete against sulfate, and reinforcement against corrosion. To monitor the degree of corrosion of steel reinforcements techniques electrochemical were applied, measuring the polarization resistance of specimens cured in water (reference) and exposed to corrosion by chlorides and chloride-sulfate, monitoring at the same time resistivity of concrete specimens, as these results are crucial to understand the spreading of the chlorides. An interesting application of the binder CP:CV:CL may be as a component of self compacting concrete based on the properties of cohesion and viscosity providing hydrated lime to fresh concrete. The results of this thesis show that in simple CP systems in the absence of other fine, hydrated lime acts as an inert fine, fine limestone similar manner, improving the mechanical strength of short-term system. In these systems, when saturated of fines (fine limestone or fly ash), CL adding apparently no effect on the mechanical strength. In binary systems CP:CV (CP/CV=1), the addition of CL has always improved mechanical strength at all ages. Being equal, the binder CP:(CV:CL)m (binder varying w/b) clearly improves the mechanical strength of CP systems: CP and CV:CV:CL to all ages studied. Also, in the long-term (one year) this binder exceeds the compressive strength binder made only with CP. The binder CP:(CV:CL) m, improves the durability of CP systems. Regarding the reinforcement against corrosion, when the lime content was CL/CV=0.2, CP has similar behavior, improving only when the attack of chlorides and offering greater resistance to Cl- ion penetration for the studied ages. Moreover, regarding the concrete carbonation CP:(CV:CL)m improves systems CP:CV, expert systems being a little worse than only with CP. One thermogravimetric analysis is performed to verify the presence of Ca(OH)2. The results of this test to 360 days show a very low content of Ca(OH)2, when the binder was CP:CV (CP/CV=1). This system can be considered practically self-neutralization, which did not happen in addition CL systems. Under laboratory conditions, more severe than natural conditions, we can say that this binder has excellent performance and can compete very well, if not with a CEM I 52 R itself, with other cements with the additions listed in RC-08. It is true that these binders containing CV require longer curing periods. / [ES] Se investiga un conglomerante con menor "huella de carbono", mediante la sustitución de 50% de cemento Portland (CP) por ceniza volante silícea (CV), añadiendo cal hidratada (CL) y siendo la relación CL/CV=0,20 (en algunos CL/CV será 0,10). En trabajos anteriores, en los que participa este autor (Calabuig y Lorca, 2009; Lorca et al., 2014), se estudiaron las ventajas de sistemas ternarios CP:CV:CL con buenos resultados. En esta investigación se pretende dar un paso más para mejorar estos sistemas. Para ello se muele conjuntamente la CV y CL "(CV:CL)m" aumentando la finura, mejorando la homogeneidad y reactividad de ambos componentes. Esta tesis comprende investigaciones sobre el comportamiento físico y puzolánico de la cal hidratada en sistemas simples CP y binarios CP:CV. También estudia la resistencia a compresión de microhormigones variando la relación agua/conglomerante (w/b) y el tipo de conglomerante, contrastando los resultados respecto del conglomerante CP:(CV:CL)m. En estos sistemas binarios la relación CP/CV=1 y la relación CL/CV=0,20. Se hace un estudio de durabilidad de microhormigones con relación w/b=0,5, contrastando las prestaciones de los sistemas CP y CP:CV respecto de CP:(CV:CL)m. Las pruebas consisten, fundamentalmente, en durabilidad del hormigón frente a sulfatos y corrosión de las armaduras. Para el seguimiento del grado de corrosión de las armaduras de acero se han aplicado técnicas electroquímicas, midiendo la resistencia a la polarización de probetas curadas en agua (referencia) y sometidas a corrosión por cloruro y cloruro-sulfato. A la vez, se hace un seguimiento de la resistividad del hormigón, en las mismas probetas, dado que dicho valor es determinante en la difusión de cloruros. Una aplicación de interés del conglomerante CP:CV:CL puede ser como componente de hormigones autocompactantes aprovechando las propiedades de cohesión y viscosidad que proporciona la cal hidratada al hormigón fresco. Los resultados de esta tesis muestran que, en sistemas simples de CP, en ausencia de otros finos, la cal hidratada funciona como un fino inerte, de manera similar a los finos calizos, mejorando la resistencia mecánica del sistema a corto plazo. En estos sistemas, cuando están saturados de finos (finos calizos o ceniza volante), la adición de CL, aparentemente, no produce ningún efecto sobre la resistencia mecánica. En sistemas binarios CP:CV (CP/CV=1), la adición de CL ha mejorado siempre la resistencia mecánica a todas las edades. En igualdad de condiciones, el conglomerante CP:(CV:CL)m (en microhormigones variando w/b) mejora con claridad la resistencia mecánica de sistemas CP:CV y CP:CV:CL a todas las edades estudiadas. También, a largo plazo, un año, este conglomerante supera la resistencia a compresión en microhormigones hechos solo con CP. El conglomerante CP:(CV:CL)m, mejora la durabilidad de sistemas CP:CV en todas las pruebas realizadas. Respecto de la corrosión de las armaduras, cuando el contenido de cal fue CL/CV=0,2, tiene un comportamiento similar al CP, mejorando cuando el ataque es sólo de cloruros, ofreciendo mayor resistencia a la penetración de ión Cl- para las edades estudiadas. Por otra parte, respecto a la carbonatación del hormigón con CP:(CV:CL)m mejora los sistemas CP:CV siendo algo peor que en sistemas sólo con CP. Se realizan análisis termogravimétricos para comprobar la presencia de Ca(OH)2 a largo plazo en estos conglomerantes. Los resultados de esta prueba a 360 días manifiestan un contenido muy bajo de Ca(OH)2. Se puede considerar prácticamente autoneutralizado, no ocurriendo lo mismo en sistemas con adición CL. En condiciones de laboratorio, más severa que las condiciones naturales, se puede afirmar que este conglomerante tiene unas prestaciones excelentes, pudiendo competir con ventaja si no con un CEM I 52,R sí con otros cementos con adiciones, contemplados en RC-08. Cierto es que estos conglomerantes que contienen C / [CA] S'investiga un conglomerant amb menor "huella de carbono", mitjançant la substitució de 50% de ciment Portland (CP) per cendra volant silícia (CV), afegint calç hidratada (CL) sent la relació CL/CV=0,20 (en alguns CL/CV serà 0,10). En treballs anteriors, en els quals participa aquest autor (Calabuig i Lorca, 2009; Lorca et al., 2014), es van estudiar els avantatges de sistemes ternaris CP:CV: CL amb bons resultats. En aquesta investigació es pretén fer un pas més per millorar aquests sistemes. Per a això es mol conjuntament la CV i CL "(CV:CL)m" augmentant la finor, millorant l'homogeneïtat i reactivitat de tots dos components. Aquesta tesi comprèn investigacions sobre el comportament físic i/o putzolànic de la calç hidratada en sistemes simples CP i binaris CP:CV. També estudia la resistència a compressió de formigons variant la relació aigua / conglomerant (w/b) i el tipus de conglomerant, contrastant els resultats respecte del conglomerant CP:(CV:CL)m. En aquests sistemes binaris la relació CP/CV=1 i la relació CL/CV= 0,20. Es fa un estudi de durabilitat de formigons amb relació w/b=0,5, contrastant les prestacions dels sistemes CP:CP:CV respecte de CP:(CV:CL)m. Les proves consisteixen, fonamentalment, en durabilitat del formigó enfront de sulfats i corrosió de les armadures. Per al seguiment del grau de corrosió de les armadures d'acer s'han aplicat tècniques electroquímiques, mesurant la resistència a la polarització a provetes curades en aigua (referència) i sotmeses a corrosió per clorurs i clorur-sulfats. Alhora, es fa un seguiment de la resistivitat del formigó a les mateixes provetes atès que aquest valor és determinant en la difusió de clorurs. Una aplicació d'interès del conglomerant CP:CV:CL pot ser com a component de formigons auto-compactants aprofitant les propietats de cohesió i viscositat que proporciona la calç hidratada al formigó fresc. Els resultats d'aquesta Tesi mostren que, en sistemes simples de CP, en absència d'altres fins, la calç hidratada funciona com un fi inert, de manera similar als fins calcaris, millorant la resistència mecànica del sistema a curt termini. En aquests sistemes, quan estan saturats de fins (fins calcaris o cendra volant), l'addició de CL, aparentment, no produeix cap efecte sobre la resistència mecànica. En sistemes binaris CP:CV(CP/CV=1), l'addició de CL ha millorat sempre la resistència mecànica a totes les edats. En igualtat de condicions, el conglomerant CP:(CV:CL)m (en formigons variant w/b) millora amb claredat la resistència mecànica de sistemes CP:CV i CP:CV:CL a totes les edats estudiades. També, a llarg termini, un any, aquest conglomerant supera la resistència a compressió en formigons fets només amb CP. El conglomerant CP:(CV:CL)m, millora la durabilitat de sistemes CP: CV en totes les proves realitzades. Respecte de la corrosió de les armadures, quan el contingut de calç va ser CL/CV=0,2, té un comportament similar al CP, millorant quan l'atac és només de clorurs i oferint major resistència a la penetració d'ió Cl- per a les edats estudiades. D'altra banda, respecte a la carbonatació del formigó amb CP:(CV:CL)m millora dels sistemes CP:CV sent una mica pitjor que sistemes només amb CP. Es realitzen anàlisis termogravimétrics per comprovar la presència de Ca(OH)2. Els resultats d'aquesta prova a 360 dies manifesten un contingut molt baix de Ca(OH)2, quan el conglomerant va ser CP:CV (CP/CV=1). Aquest sistema es pot considerar pràcticament autoneutralitzad, no ocorrent el mateix en sistemes amb addició CL. En condicions de laboratori, més severes que les condicions naturals, es pot afirmar que aquest conglomerant té unes prestacions excel¿lents, podent competir amb avantatge si no amb un CEM I 52, R sí amb altres ciments amb addicions, previstes en RC-08. És cert que aquests conglomerants que contenen CV, requereixen períodes de curat més llargs. / Calabuig Pastor, R. (2015). Efecto de la adición de cal en las propiedades mecánicas y durabilidad de hormigones con altos contenidos en cenizas volantes silíceas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59468

[ES] El hormigón es el material estructural más empleado en la construcción a nivel mundial debido a su resiliencia, versatilidad y rentabilidad. Sin embargo, su baja resistencia a la tracción provoca frecuentemente fisuras en servicio, que permiten la penetración de sustancias nocivas del entorno. Esto genera pérdida de integridad estructural y una reducción de la vida útil. El deterioro suele originarse por la corrosión de las armaduras embebidas, lo que conlleva una disminución de la sección del refuerzo, pérdida de adherencia y desprendimiento del recubrimiento de hormigón, resultando en deterioro prematuro y fallos estructurales. El autosanado del hormigón ha sido ampliamente investigado en las últimas décadas. Aunque el hormigón tiene una capacidad natural para reparar pequeñas fisuras (autosanado autógeno), esta puede mejorarse añadiendo agentes de autosanado capaces de cerrar fisuras mayores. Entre los agentes más estudiados se incluyen bacterias, aditivos cristalinos, polímeros superabsorbentes y sistemas de encapsulación como microcápsulas, macrocápsulas y redes vasculares. Algunos de estos sistemas están disponibles comercialmente, mientras que otros están en desarrollo. Los mecanismos principales de autosanado se basan en la producción de carbonato de calcio y en el transporte de compuestos reparadores a las fisuras. Aunque numerosos estudios han evaluado estos agentes a escala de laboratorio, su efectividad en elementos estructurales a escala industrial sigue siendo limitada. La transición a estructuras reales es crucial, ya que estas enfrentan condiciones más complejas de carga y exposición ambiental. Este estudio busca cerrar estas brechas abordando los siguientes objetivos: 1. Demostrar la escalabilidad del hormigón autosanado desde muestras de laboratorio hasta vigas a escala industrial. 2. Analizar la fisuración en elementos estructurales con autosanado bajo cargas según normas de diseño. 3. Evaluar la penetración de cloruros y la protección frente a la corrosión en elementos fisurados. 4. Modificar los modelos de vida útil para hormigones fisurados con funcionalidad autosanadora. Se investigaron tres tipos de hormigón: convencional (~50 MPa), de alta resistencia (~70 MPa) y de ultra-alta resistencia reforzado con fibras (~145 MPa). Se añadieron agentes autosanadores (bacterias encapsuladas y aditivos cristalinos) en vigas de 4 metros de longitud, diseñadas con fisuras controladas de 50 µm, 100 µm y 300 µm, refuerzos de 16 mm y recubrimientos de 20 mm y 30 mm. El análisis de fisuración, realizado según códigos como Eurocódigo, ACI y el Modelo 2010, mostró que los agentes de autosanado aumentaron ligeramente la resistencia a compresión y redujeron marginalmente la resistencia a flexión, sin cambios significativos en el tamaño, patrón u orientación de las fisuras. Los modelos teóricos no replicaron de manera precisa los escenarios de fisuración observados experimentalmente, incluso tras ajustar los cálculos para incluir efectos de rigidez por tensión y endurecimiento por fibras. Se evaluó la corrosión de las armaduras mediante potencial de media celda (HCP), mostrando que los niveles de fisuración aumentaron los valores negativos de HCP durante los primeros seis meses, aunque esta influencia disminuyó con el tiempo. En entornos simulados marinos, los agentes autosanadores mejoraron la resistencia del hormigón a la penetración de cloruros. Aunque la fisuración amplificó el ingreso de cloruros, no se encontró una relación clara entre las características de las fisuras y la intensidad de la penetración. Si bien los agentes de autosanado no afectaron significativamente el comportamiento estructural, sí mejoraron notablemente la durabilidad frente a la corrosión, extendiendo la vida útil de las estructuras. / [CA] El formigó és el material estructural més utilitzat a escala mundial gràcies a la seva versatilitat, resistència ambiental i rendiment. Tot i així, la seva baixa resistència a la tracció pot provocar esquerdes en condicions de servei, permetent la penetració de substàncies nocives que causen corrosió a les armadures i redueixen la vida útil de les estructures. La corrosió genera efectes com la disminució de la secció de les barres de reforç, pèrdua d'adherència i deteriorament estructural. Per abordar aquests problemes, s'han investigat les capacitats d'autosanació del formigó, que inclouen l'ús d'agents externs com bacteris, additius cristal·lins, polímers i encapsulaments (microcàpsules, macrocàpsules, xarxes vasculars). Tot i l'avenç en laboratoris, hi ha poca informació sobre l'eficàcia d'aquests agents en elements a escala industrial, especialment en estructures sotmeses a càrregues complexes i entorns agressius. Aquest estudi té com a objectius principals: 1. Validar l'escalabilitat del formigó autosanant des de mostres de laboratori fins a vigues industrials. 2. Analitzar el comportament de les esquerdes sota diverses càrregues. 3. Avaluar la protecció contra la corrosió en vigues amb funcionalitat d'autoreparació. 4. Refinar els models de predicció de vida útil per a elements danyats amb capacitat d'autosanació. S'han provat tres tipus de formigons (convencional, alta resistència i ultra alta resistència amb fibres) incorporant agents autosanadors (bacteris i additiu cristal·lí) en vigues de 4 metres sotmeses a fissures controlades (50 µm, 100 µm i 300 µm). Les proves inclouen l'avaluació de fisures mitjançant codis de disseny com l'Eurocodi i el Model Code 2010, proves de durabilitat com la penetració de clorurs, i l'anàlisi de la corrosió de les armadures. Els resultats mostren que els agents autosanadors milloren la resistència a la compressió i redueixen lleugerament la resistència a la flexió, però tenen un impacte mínim en la resistència estructural general. Els codis de disseny actuals no prediuen adequadament el comportament de les esquerdes, especialment en formigons d'ultra alta resistència amb fibres, on es recomana considerar la rigidesa a tracció i l'efecte de les fibres per millorar les prediccions teòriques. L'anàlisi no destructiva de la corrosió revela que el tipus de formigó i agent autosanador influeixen en la progressió de la corrosió. Els valors de potencial més negatius es correlacionen amb un major risc de corrosió inicialment, especialment en formigons d'alta resistència, tot i que aquesta tendència disminueix amb el temps. Finalment, els agents autosanadors redueixen significativament la penetració de clorurs en ambients agressius, millorant la durabilitat de les estructures fissurades, però sense alterar de manera significativa l'estructura global del formigó. / [EN] Concrete is the most widely used structural material globally due to its resilience, versatility, and cost-effectiveness. However, its low tensile strength often leads to cracks during service, which allow harmful substances to penetrate, causing structural integrity loss and reduced service life. These issues are primarily due to the corrosion of embedded reinforcement, leading to reduced rebar cross-sections, bonding loss, and spalling of the concrete cover, ultimately resulting in premature deterioration and potential structural failure. To address these issues, self-healing functionalities in concrete have been extensively studied. Concrete naturally exhibits autogenous healing, which can be enhanced by incorporating external self-healing agents to repair larger cracks. Agents such as bacteria, crystalline admixtures, superabsorbent polymers, and encapsulations (e.g., microcapsules, macrocapsules, vascular networks) have been explored. While some are commercially available, others are still under development. These agents primarily work by precipitating calcium carbonate or transporting repair compounds to cracks. Most studies on self-healing concrete have focused on laboratory-scale evaluations, with limited research on full-scale industrial components. Scaling up this technology is critical because real-world structures face complex stresses, loading conditions, and aggressive environments, which laboratory conditions cannot fully replicate. This study addresses knowledge gaps by: 1. Demonstrating scalability from lab-scale specimens to industrial-scale beams. 2. Analyzing cracking in structural elements with self-healing capabilities under different loading conditions. 3. Assessing chloride ingress and rebar corrosion protection in cracked self-healing concrete. 4. Refining service life modeling for cracked concrete with self-healing functionality. Three types of concrete were investigated: Ordinary Concrete (~50 MPa), High Strength Concrete (~70 MPa), and Ultra High-Performance Fiber Reinforced Concrete (~145 MPa). Two self-healing agents (encapsulated bacteria and crystalline admixture) were incorporated into the concrete mix. Four-meter-long beams were designed with 16 mm diameter reinforcement bars, 20 mm and 30 mm concrete covers, and cracked at levels of 50 µm, 100 µm, and 300 µm. Cracking behavior was analyzed using design codes such as Eurocode, ACI, and Model Code 2010. Durability was tested through accelerated chloride migration and diffusion tests on cracked and uncracked samples, with results used to evaluate service life in simulated marine environments. Key findings include: - Self-healing agents marginally increased compressive strength and slightly reduced flexural strength but had minimal impact on cracking size, pattern, and orientation. - Design codes, based on simplified models, inadequately predicted complex cracking scenarios. Adjustments accounting for tension stiffening and fiber effects in ultra-high-performance concrete led to significant deviations between theoretical and experimental results. - Non-destructive corrosion analysis revealed that corrosion progression depended on concrete quality and self-healing agent type. Cracks correlated with more negative half-cell potential (HCP) values during initial exposure, although this effect diminished over time. - Self-healing agents significantly improved resistance to chloride ingress, particularly in cracked specimens, without notably affecting structural cracking behavior. Overall, the study highlights the potential of self-healing agents to enhance durability by mitigating chloride ingress and extending service life, while structural response remains largely unchanged. This research provides critical insights into the application of self-healing technologies in industrial-scale concrete structures. / Dabral, K. (2025). Integration of Self-Healing Functionalities in Structural Design for Serviceability of Concrete Structures under Marine Exposure [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/214447