Development and performance assessment of 3d-printable portland cement and geopolymer mortars for hostile environments

Abstract

Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo y evaluación del rendimiento de morteros de geopolímero y cemento Portland imprimibles en 3D cuya formulación está basada en materiales disponibles localmente en regiones escandinavas. Debido a las duras condiciones ambientales de la región, los morteros fueron diseñados para exhibir una alta resistencia a ambientes hostiles. Este proyecto surge de la colaboración entre Østfold University College (Noruega) y la Universidad Politécnica de Cartagena (España) en el lado académico, con la cooperación industrial de la empresa Cementos La Cruz (España). En primer lugar, se desarrollaron morteros de geopolímeros de dos componentes utilizando escoria granulada de alto horno molida (GGBFS, por sus siglas en inglés), cenizas volantes (FA, por sus siglas en inglés) y relaves de mina (MT, por sus siglas en inglés) para aplicaciones de impresión de hormigón 3D a escala de laboratorio (3DCP). Para investigar el efecto de la composición del aglutinante sobre las propiedades del mortero, se formularon dos series de morteros: uno basado en GGBFS y FA, y el otro en GGBFS y MT. Los resultados indicaron que los morteros elaborados con GGBFS y MT exhibieron mayor resistencia mecánica. Sin embargo, su estabilidad de forma y edificabilidad fueron inferiores a las de los morteros que incorporaban GGBFS y FA. Además, se evaluó el impacto de la adición de fibra de basalto (BF, por sus siglas en inglés) en el rendimiento del mortero, incorporándose BF en concentraciones de 0, 0,5 y 1,0% del peso total del mortero. La trabajabilidad y la edificabilidad se redujeron con la concentración de BF, mientras que la estabilidad de la forma permaneció casi sin verse afectada. Se observaron tendencias interesantes en las resistencias mecánicas de los morteros. Para morteros basados en GGBFS y FA, tanto la resistencia a la compresión como a la flexión aumentaron con concentraciones más altas de BF. Por el contrario, los morteros que incorporan GGBFS y MT como aglomerantes mostraron una disminución en la resistencia mecánica al aumentar la concentración de BF. Esto resalta la influencia significativa de la composición del aglutinante en el comportamiento de unión fibra-matriz. El examen microestructural mediante imágenes SEM reveló una desunión de fibras más pronunciada en los morteros basados en GGBFS y MT, lo que podría explicar la reducción de resistencia observada con concentraciones de fibra más altas. El comportamiento óptimo se obtuvo para el mortero GGBFS y FA reforzado con 0,5% BF. Se investigó el efecto de los agentes modificadores de la viscosidad (VMA, por sus siglas en inglés) sobre el rendimiento de morteros de cemento Portland imprimibles en 3D para 3DCP a gran escala. Se incorporaron a los morteros VMA derivados de celulosa, incluida la hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) y dos tipos de celulosa microfibrilada (MFC) en forma de suspensión y pasta. Según los resultados de los ensayos, el tipo de VMA no influyó en la trabajabilidad, cinética de hidratación ni resistencia mecánica de los morteros. Sin embargo, los morteros formulados con MFC exhibieron un mayor límite elástico y viscosidad aparente que aquellos con HPMC, lo que indica el impacto del tipo VMA en el comportamiento reológico de los morteros. El mortero que incorpora HPMC mostró una edificabilidad ligeramente superior en comparación con el mortero que contiene MFC. Sin embargo, se observó una deformación excesiva de la forma en las capas inferiores del molde, lo que indica una estabilidad de forma inferior en comparación con el mortero con MFC. El MFC en forma de pasta demostró un potencial significativo como VMA para aplicaciones de impresión de hormigón en 3D. En la fase final del proyecto, se desarrollaron morteros de cemento Portland con diferentes materiales de relleno y morteros de escoria activada con polvo de horno de cal (LKD, por sus siglas en inglés) formulados con un activador alcalino derivado de residuos para 3DCP a gran escala. Se incorporaron tres materiales de relleno diferentes (GGBFS, FA y MT) a los morteros de cemento Portland para comparar su comportamiento. Para los morteros de geopolímero, se utilizó GGBFS como precursor y se activó mediante LKD. Uno de los morteros de escoria activada por LKD utilizó arena natural como agregado, denominado en adelante GL, mientras que el otro utilizó agregado de hormigón reciclado (RCA), denominado en adelante GLR, haciendo que éste último esté compuesto enteramente de desechos y materiales reciclados. Entre los morteros de cemento Portland, el que contenía GGBFS como material de relleno demostró la mayor resistencia mecánica y límite elástico. Sin embargo, el mortero GLR exhibió la mayor edificabilidad y estabilidad dimensional entre todos los morteros estudiados. La durabilidad de los morteros se evaluó sometiéndolos a temperaturas elevadas y ataque ácido. El mortero de cemento Portland que incorpora GGBFS exhibió la mayor resistencia mecánica residual después de la exposición a temperaturas elevadas y al ataque con ácido. Sin embargo, el mortero GL demostró la menor reducción de resistencia después del ataque con ácido, lo que lo convierte en el más resistente a los ácidos entre todos los morteros probados, a pesar de no tener la mayor resistencia residual. Además, la resistencia mecánica de las muestras impresas en 3D dependía de la dirección de la carga, lo que indica un comportamiento anisotrópico. Esto puede deberse a diferentes niveles de compactación en las direcciones horizontal y vertical y a una superposición insuficiente entre capas adyacentes. Las muestras impresas en 3D mostraron una menor resistencia mecánica en comparación con las moldeadas, lo que se puede atribuir a la falta de compactación y a una mayor pérdida de humedad durante la impresión. Además, la reducción de la resistencia después de la exposición al ataque ácido fue más significativa en las muestras impresas en 3D, lo que puede atribuirse a la mayor porosidad y presencia de microfisuras, como confirmó el análisis SEM.