Internal curing in cement-based materials

Abstract

O desenvolvimento de betões de elevado desempenho, durante o início da década de 80, revelou que este tipo particular de materiais com base em cimento é susceptível a problemas de cura. São bem conhecidos os efeitos dos fenómenos autogéneos em sistemas de elevado desempenho com base em cimento, nomeadamente a fissuração em idade jovem. Esta é, aliás vista como a maior limitação no desenvolvimento de novos materiais com durabilidade superior. Desenvolvimentos recentes de métodos de cura interna provaram ser uma boa estratégia de mitigação dos efeitos da auto-dissecação destes sistemas, onde a presente tese ganha o seu espaço no tempo. Este estudo centra-se essencialmente em sistemas de elevado desempenho com base em cimento com cura interna através de partículas superabsorventes, dando particular importância à alteração de volume em idade jovem. Da análise mais aprofundada deste método, resultam algumas limitações na sua aplicabilidade, especialmente em sistemas modificados com sílica de fumo. Conclui-se que a natureza física e química dos polímeros superabsorventes pode afectar significativamente a eficiência da cura interna. Em adição, os mecanismos de cura interna são discutidos mais profundamente, sendo que para além dos mecanismos baseados em fenómenos físicos e químicos, parecem existir efeitos mecânicos significativos. Várias técnicas foram utilizadas durante o decorrer desta investigação, com o objectivo, para além da caracterização de certas propriedades dos materiais, de perseguir as questões deixadas em aberto pela comunidade internacional, relativamente aos mecanismos que fundamentam a explicação dos fenómenos autogéneos. Como exemplo, são apresentados os estudos sobre hidratação dos sistemas para avaliação do problema numa escala microscópica, em vez de macroscópica. Uma nova técnica de cura interna emerge da investigação, baseada na utilização de agregados finos como veiculo para mitigar parcialmente a retracção autogénea. Até aqui, esta técnica não encontra par em investigação anterior, mas a extensão da cura interna ou a eficácia na mitigação baseada neste conceito encontra algumas limitações. A significância desta técnica em prevenir a micro fissuração é um aspecto que está ainda em aberto, mas pode concluir-se que os agregados finos podem ser benéficos na redução dos efeitos da restrição localizada no sistema, reduzindo o risco de micro fissuração. A utilização combinada de partículas finas de agregado e polímeros super absorventes pode ter como consequência betão sem microfissuração, ou pelo menos com nanofissuração.

The development of high performance concrete in the early 80 revealed that this particular branch of cement-based materials is highly sensible to curing problems. It is well known the consequences of autogenous phenomena in high performance systems, namely the early-age cracking. This is seen as the major limitation on the further development of new materials with superior durability. Recent developments have returned internal curing methods as mean to mitigate such phenomena, where this thesis finds it space in time. Internal curing of cement-based materials by superabsorbent polymers is further analysed, with emphasis on the consequences of the volume-changes in plain Portland and SF-modified cement based systems at early age. Some limitations in the use of superabsorbent polymers are encountered, being concluded that the physical and chemical nature of superabsorbent polymers may significantly affect the efficiency of internal curing. In addition, the mechanisms of internal curing are discussed in more depth, from where it transpires that beyond the mechanisms with physical or chemical ground, significant mechanical effects do exist. Several techniques are used in the course of the investigation, which aimed, beside the characterisation of certain material properties, to pursue the open questions left by the international community, in respect with the fundamental mechanisms that may explain the autogenous phenomena. Examples of that are the hydration studies at a microscopic scale, rather than macroscopic. Furthermore, a new technique of internal curing is proposed, which is based on the use of very fine aggregate particles, as mean of partial mitigation of autogenous shrinkage. So far, this technique has not been reported in the research community as mean of mitigation, but the extent of internal curing that may potentially be obtained from this concept encounters several limitations. The significance of this technique in preventing microcracking is yet to be proved, but it is concluded that fine aggregate particles may be beneficial in reducing the restraint effects, and thus, reducing the potential for cracking events. The combined use of superabsorbent and fine aggregate particles may have as a consequence the development of concrete with nanocracking, rather than micro, during a period where the “culture” in the concrete technology is putting considerable effort in getting more intimate with the durability aspects of cement-based materials.