Effect of micro-encapsulated phase change materials on the mechanical properties of concrete

Abstract

[SPA] Esta tesis doctoral está centrada en el estudio de las propiedades mecánicas de materiales de construcción basados en geopolímeros compuestos por cenizas volantes y escoria a los que se le incorporan materiales de cambios de fase microencapsulados (MPCM por sus siglas en inglés). Las investigaciones realizadas se enmarcan en un proyecto financiado por el Consejo de Investigación de Noruega. Se ha evaluado el efecto de estas microcápsulas tanto en estado sólido como líquido en las propiedades mecánicas y la microestructura de estos hormigones basados en geopolímeros (GPC, por sus siglas en inglés) y cemento Portland (PCC, por sus siglas en inglés). Se prepararon muestras de GPC y PCC con diferentes cantidades de MPCM, realizando curados a 20 y 40 ºC. Se registró un descenso de la resistencia a la compresión en ambos materiales, pero manteniendo valores suficientemente elevados para su uso como materiales de construcción. Las propiedades mecánicas de GPC no se vieron afectadas por la adición de MPCM ni en estado sólido (20 ºC), ni líquido (40 ºC); aunque en el caso del cemento Portland se pudo observar que las microcápsulas fundidas sí que provocaban un gran descenso en la resistencia mecánica. Se empleó la técnica de tomografía de rayos X para determinar el efecto de la porosidad de las microcápsulas tanto en las muestras de GPC como PCC. Mediante microscopía electrónica de barrido se pudo observar la formación de oquedades de aire entre las microcápsulas y la matriz de hormigón. Por otro lado, se ha desarrollado un método de diseño para las mezclas de GPC con el objetivo de maximizar la resistencia a la compresión tras la adición de MPCM. Se han utilizado dos tipos diferentes de microcápsulas para una mejor evaluación de su efecto en las propiedades de GPC. Se ha podido observar que el tiempo de fraguado de las pastas basadas en geopolímero depende tanto de la cantidad de agua adsorbida en la superficie de las microcápsulas, como de la viscosidad de las muestras, y posiblemente también de su calor latente. Al aumentar la concentración de MPCM se pudo observar que el tiempo inicial de fraguado aumentaba mientras que el tiempo final disminuía. Además, la adición de MPCM resultó disminuir tanto la trabajabilidadcomo la resistencia a la compresión de GPC. Estos efectos eran más pronunciados para el caso de MPCM con estructuras aglomeradas y que presentan en su superficiegrupos polares que en el caso de microcápsulas con menor cantidad de aglomeración, una estructura más esférica y una superficie completamente hidrofóbica. Aunque la adición de MPCM reduce la resistencia a la compresión de GPC, después de 28 días de curado, el desempeño mecánico fue mayor que en el caso del cemento Portland. Los estudios de SEM y tomografía de rayos X sugieren que la aglomeración de microcápsulas, los espacios vacíos generados con la matriz de hormigón, el incremento de aire ocluido y la rotura de microcápsulas al aplicar esfuerzos provocan la disminución de la resistencia a la compresión de GPC. También se ha realizado un estudio del efecto de las condiciones de congelación en las propiedades mecánicas de GPC y PCC con diferentes contenidos de MPCM. Cuando las microcápsulas se añaden al hormigón, el porcentaje de pérdida de masa tras los ciclos de congelación y descongelación se ve incrementado. La adición de MPCM proporciona una excelente durabilidad a la acción de estos ciclos con una mínima repercusión en la resistencia a la compresión. Se han realizado una serie de estudios microestructurales que han revelado que estos ciclos térmicos provocan un deterioro que se puede atribuir a la aparición de microgrietas en las zonas de interfase entre la pasta/agregados y la pasta/MPCM, y también a la formación de cristales de etringita. El efecto de la temperatura en el tiempo de fraguado de estas pastas también ha sido evaluado. A 0 ºC, el tiempo inicial de fraguado de las pastas basadas en cemento Portland se ven retrasados debido a la acción de la baja temperatura y la elevada viscosidad de MPCM. Sin embargo, las pastas de geopolímero muestran un tiempo inicial más corto debido a la separación de fases de la solución alcalina a bajas temperaturas. El tiempo final disminuye con la concentración de MPCM tanto para las pastas de GPC como para las de cemento Portland. Se ha evaluado también el efecto de dos tipos diferentes de MPCM en estado líquido (40 ºC) en las propiedades mecánicas y la microestructura de GPC y PCC. A esta temperatura, tanto el tiempo final como inicial de fraguado disminuyen hasta valores muy bajos debido a la aceleración de la reacción de geopolimerización. A 40 ºC, la resistencia a la compresión de ambos materiales es lo suficientemente elevada como para mantener sus aplicaciones hormigón estructural con la adición de las microcápsulas. El estudio de la microestructura reveló un aumento de los huecos de aire presentes en GPC y PCC cuando la temperatura de curado aumenta de 20 a 40 ºC debido a la aceleración de la reacción.

[ENG] This PhD Thesis focuses on the details of development of the mechanical properties of fly ash/slag geopolymer concrete incorporated with microcapsules for construction applications in the framework of a wide research program funded by the Research Council of Norway. The effect of MPCM in solid and liquid states on the mechanical properties and microstructure of geopolymer concrete (GPC) and Portland cement concrete (PCC) was investigated. GPC and PCC containing different amounts of MPCM were prepared and cured at both 20 °C and 40 °C. While the compressive strength of both GPC and PCC was found to decrease with the addition of MPCM, it is still sufficiently high for construction purposes. Whether the PCM is in solid (20 °C) or liquid (40 °C) state did not significantly affect the mechanical properties of GPC, while melting the PCM were found to reduce the strength of PCC. X-ray tomography imaging was utilized to examine the effect of MPCM on the porosity of the samples. SEM imaging revealed that air gaps were formed between the microcapsules and the surrounding concrete matrix. A mix design procedure for GPC was developed in order to maintain a high compressive strength after adding MPCM. Two types of MPCM were used for a better understanding the effect of different MPCMs on the properties of the GPC. The setting time of geopolymer pastes was found to depend on both the amount of water adsorbed by the microcapsules, the viscosities of the samples, and possibly the latent heat. Accordingly, the initial setting time increased and the final setting time decreased with MPCM concentration. The addition of MPCM was found to reduce both the slump and the compressive strength of GPC. These effects were more pronounced for the MPCM that form agglomerated structures and has a surface containing some polar groups, than for the more spherically shaped and less agglomerated MPCM with a hydrophobic surface. Although the addition of MPCM reduced the compressive strength of GPC, the mechanical performance was higher than that of PCC after 28 days of curing. A combination of SEM imaging and X-ray-tomography suggested that MPCM agglomeration, gaps between MPCM and the concrete matrix, an increased amount of entrapped air, and microcapsules that break under stress might contribute to the reduced compressive strength of GPC. The effect of frost conditions on the physical and mechanical properties of GPC and PCC containing different MPCM was examined. When MPCM was added to concrete, the percentage of mass loss after the freeze-thaw cycles increased. The addition of MPCM provided an excellent resistance against freeze-thaw cycles with a minor reduction of the compressive strength. Microstructural studies revealed that the freeze-thaw induced concrete deterioration could be contributed to microcracks appearing in the poor interfacial transition zones between paste/aggregate and paste/MPCM, and to the formation of ettringite crystals. The effect of temperature on the setting times of the corresponding pastes was also evaluated. At 0 °C, the initial setting time of Portland cement pastes had a delay due to the low temperature and the high viscosity of MPCM. However, for geopolymer pastes, the initial setting time became shorter due to phase separation of the alkaline solution at low temperatures. The final setting time decreased with MPCM concentration for both geopolymer and Portland cement pastes. The effect of two different MPCMs in the liquid state (at 40 °C) on the mechanical properties and microstructure of GPC and PCC was studied. At 40 °C, the initial and final setting times were very fast due to the acceleration of the geopolymerization reaction. At 40 °C, the compressive strength of both GPC and PCC with MPCM addition is sufficiently high for building applications. Microstructural studies showed that a higher number of air voids were present in GPC and PCC samples cured at 40 °C than at 20 °C. This is due to acceleration of the reaction rates.