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Efecto de la nanosílice sobre las propiedades reológicas de la matriz cementante y su influencia en el estado endurecido del concreto hidráulico

Puerto Suárez, Julián David (2019) Efecto de la nanosílice sobre las propiedades reológicas de la matriz cementante y su influencia en el estado endurecido del concreto hidráulico. Doctorado thesis, Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá.

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Resumen

En este documento se presentan los resultados de una investigación encaminada a establecer el efecto de nanopartículas de sílice de diferentes tamaños sobre las propiedades reológicas en estado fresco y en estado endurecido de concretos autocompactantes. Las investigaciones realizadas hasta el momento han determinado en su mayoría los efectos de la adición de nanosílice en la reología del concreto mediante la correlación con ensayos convencionales y empíricos, sin profundizar en el estudio reológico del material y otras propiedades en estado endurecido de compuestos cementantes nanomodificados. En las primeras etapas del estudio se investigó el efecto de nanopartículas de sílice, de dos tamaños diferentes, en las propiedades mecánicas de morteros de cemento Portland, cuando dichas nanopartículas se adicionaban a los morteros en ausencia de un aditivo superplastificante. Lo anterior en orden de determinar si en ausencia de un aditivo plastificante, son suficientes un tamaño nanométrico y un elevado contenido amorfo de las nanopartículas para mejorar las resistencias mecánicas de morteros de cemento Portland, cuando se utilizan pequeñas dosificaciones de nanopartículas (hasta 1.5% por peso del cementante). Posteriormente, para determinar el efecto del tamaño de nanopartículas y el uso de superplastificantes de diferente naturaleza sobre las propiedades reológicas y el estado endurecido de materiales cementantes, se examinaron las propiedades de esfuerzo de fluencia y viscosidad plástica de pastas, y la resistencia a la compresión de morteros con bajas relaciones agua/cemento, utilizando adiciones de nanosílice de dos diferentes tamaños y adiciones de dos superplastificantes de diferente naturaleza. Para los materiales utilizados, una vez identificada la combinación de dosificaciones de nanosílice y superplastificante que incrementan la resistencia a la compresión y mejoran la reología de pastas cementantes, se emplearon subcombinaciones de los dos tipos de nanopartículas de sílice a niveles de 100-0, 75-25, 50-50, 25-75 y 0-100 para incrementar el empaquetamiento y mejorar las propiedades reológicas/mecánicas de las pastas cementantes. A partir de las subcombinaciones de nanopartículas de sílice efectuadas, se elaboró un modelo reológico para la predicción de las propiedades de esfuerzo de fluencia y viscosidad de pastas cementantes. Paralelamente se evaluó un esquema de producción de nanopartículas de sílice por el método sol-gel, utilizando amoniaco como catalizador, donde se emplearon dos condiciones de pH (9 y 11) y cuatro esquemas de adición de agua amoniacal, en los cuales se distribuyeron fracciones volumétricas entre el inicio de la síntesis y transcurridas 7h de reacción. La nanosílice producida se caracterizó por técnicas analíticas como microscopia electrónica de barrido (SEM) y dispersión de luz dinámica (DLS) para determinar morfología y distribución de diámetro de partícula, espectroscopia de rayos X por energía dispersiva (EDX) con el fin de identificar elementos representativos de las muestras y difracción de rayos X (XRD) para determinar el tipo de estructura (cristalina o amorfa) generada por las partículas tras la síntesis. La inclusión de las nanopartículas de sílice producidas en medio básico a pastas de cemento genera incrementos de hasta 25% de resistencia a la compresión a la edad de 28 días para una dosificación de 0.4% en peso del material cementante principal. En adición, la resistencia a la compresión a 28 días de las pastas cementantes adicionadas con las nanopartículas producidas en el laboratorio fueron hasta 28% mayores, en comparación a la resistencia a la compresión proporcionada por nanopartículas de sílice comerciales con tamaños de 36 nm y 264 nm y adicionadas en dosificaciones similares. Lo anterior comprueba el potencial que tienen las nanopartículas de sílice, producidas en este estudio, sobre el mejoramiento de propiedades mecánicas de compuestos basados en cemento. Finalmente se presentan los resultados de un programa experimental encaminado a estudiar la modificación de las propiedades reológicas, propiedades en estado fresco, las propiedades en estado endurecido y las propiedades de durabilidad de concretos autocompactantes adicionados con nanopartículas de sílice utilizando cinco dosificaciones en peso del material cementante principal, esto es, 0%, 0.5%, 1.0%, 1.5% y 2.0%. Las dosificaciones óptimas de nanosílice (para el rango analizado) para el mejoramiento de las propiedades reológicas, resistencia a la compresión, módulo elástico, relación de Poisson, resistencia a tensión indirecta, módulo de rotura, resistencia a la penetración de cloruros y resistencia a la carbonatación de los concretos autocompactantes correspondieron a 1.5 % y 2.0 % en peso. De este modo, generando un mejor entendimiento de las propiedades reológicas de los compuestos cementantes nanoestructurados desde su estado de reposo hasta condiciones de bombeo, se fomentará la producción de concretos de altas prestaciones con ventajas potenciales en trabajabilidad, colocación y compactación, sin disminución alguna en las propiedades de resistencia y vida útil, además de una reducción en costos de fabricación por la utilización y aprovechamiento de algunos aditivos industriales., Abstract: This document presents the results of a research aimed to establish the effect of silica nanoparticles of different particle sizes on the rheological properties, fresh state and hardened properties of self-compacting concretes. Several investigations have mostly determined the effects of the addition of nanosilica in the rheology of concrete by means of its correlation with conventional and empirical tests, without deepening the rheological study of the material and other hardened properties of modified cementing compounds with nanoparticles. In the first stages of the study, the effect of silica nanoparticles of 2 different sizes on the mechanical properties of Portland cement mortars was investigated when nanoparticles were added to the mortars in the absence of a super plasticizing additive, to determine if a nanosized size and a high amorphous content of the nanoparticles are sufficient to strengthen the mechanical strengths of Portland cement mortars, when using small dosages of nanoparticles (up to 1.5% by weight of the cement). Afterwards, to investigate the effect of nanoparticle size and the use of superplasticizers on the rheological properties and in the hardened state of cementing materials, the rheological properties of yield stress and plastic viscosity of pastes were examined, and properties of compressive strength of mortars with low water/cement ratios were assessed, using nanosilica additions of two different sizes and additions of two superplasticizers of different nature. For the materials used in this study, the optimal combination of dosages of nanosilice and superplasticizer that increased the compressive strength and improved the rheology of cementing pastes were selected from the first stages of this research. The optimal combination was optimized using subcombinations of the two types of silica nanoparticles used at levels of 100-0, 75-25, 50-50, 25-75 and 0-100 in order to increase packing and improve rheological / mechanical properties of the cementing pastes. A rheological model for the prediction of yield stress and viscosity of cement pastes was established in this study from the subcombinations of silica nanoparticles. In parallel, a silica nanoparticle production scheme was evaluated by sol-gel method, using ammonia as a catalyst, where two pH conditions (9 and 11) and four ammonia water addition schemes were used in which volumetric fractions were distributed between the start of the synthesis and after 7h after the reaction. The nanosilica produced was characterized by analytical techniques such as scanning electron microscopy (SEM) and dynamic light scattering (DLS) to determine morphology and particle diameter distribution, energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) in order to identify elements representative of the samples and X-ray diffraction (XRD) to determine the type of structure (crystalline or amorphous) generated by the particles after the synthesis. The inclusion of the produced silica nanoparticles in basic medium to cement pastes generate increases up to 25% of compressive strength at 28 days for a dosage of 0.4% wt. In addition, the 28-day compressive strength of cementing pastes modified with the produced nanoparticles were up to 28% higher compared to the one provided by commercial silica nanoparticles with sizes 36 nm and 264 nm and added in similar dosages. This confirms the potential of the produced silica nanoparticles on the improvement of mechanical properties of cementbased compounds. Finally, an experimental program aimed to study the rheology and durability of selfcompacting concretes through the modification of its fresh and hardened state properties with the addition of commercial silica nanoparticles in 5 different dosages by weight of the main cementing material (0%, 0.5%, 1.0%, 1.5% and 2.0%) was evaluated. The optimal nanosilica dosages (for the analyzed range) that improved the rheological properties, compressive strength, elastic modulus, Poisson's ratio, splitting tensile strength, modulus of rupture, resistance to the penetration of chlorides and resistance to carbonation of selfcompacting concretes range between 1.5% and 2.0% wt. In this way, a better understanding of the behavior of the nanostructured cementitious compounds will promote the production of high performance concretes with potential advantages in workability, placement and compaction, without any reduction in the properties of strength and durability, in addition to a reduction in manufacturing costs due to the use and use of some industrial additives.

Tipo de documento:Tesis/trabajos de grado - Thesis (Doctorado)
Colaborador / Asesor:Lizarazo Marriaga, Juan Manuel and Hernandez Guarín, Girmer Nicolás
Información adicional:Doctor en Ingeniería – Ingeniería Civil. Línea de Investigación: Sistemas Estructurales y Materiales para la Construcción.
Palabras clave:Nanosílice, Pastas, Morteros, Concretos autocompactantes, Producción de nanosílice, Reología, Propiedades mecánicas, Nanosilica, Pastes, Mortars, Self-compacting concretes, Nanosilice production, Rheology, Mechanical properties
Temática:6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology > 69 Construcción / Building & construction
Unidad administrativa:Sede Bogotá > Facultad de Ingeniería > Departamento de Ingeniería Civil y Agrícola
Código ID:75008
Enviado por : Julián David Puerto Suárez
Enviado el día :17 Enero 2020 20:56
Ultima modificación:17 Enero 2020 20:56
Ultima modificación:17 Enero 2020 20:56
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