Efecto del refinamiento de tamaño de partícula del metacaolín sobre la microestructura de la ITZ formada en concretos preparados con LC3
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Resumen
En la búsqueda de la carbono-neutralidad se plantea la reducción progresiva del contenido de clínker, lo cual introduce cambios microestructurales que afectan el desempeño del concreto. Los cementos LC3, que incorporan caliza (LS) y metacaolín (MK), constituyen una alternativa prometedora para disminuir la cantidad de clínker sin comprometer, e incluso mejorar, las prestaciones mecánicas del material, razón por la cual su estudio microestructural es objeto de interés.
Reconociendo la zona de transición interfacial (ITZ) alrededor del agregado grueso como la región crítica para el análisis microestructural del concreto y, en consecuencia, tal vez la zona más importante para entender su desempeño mecánico, en este trabajo se estudió la ITZ en concretos preparados con LC3 mediante el análisis de los efectos del refinamiento del tamaño de partícula de MK sobre su porosidad, espesor, composición de hidratos y capacidad de adherencia a cortante (CA), así como su incidencia sobre la resistencia a compresión global del concreto (RC).
Se prepararon mezclas LC3 con refinamiento del tamaño de partícula del MK como tratamiento principal y reducción del tamaño de LS como factor sinérgico, observándose incrementos tanto en CA como en RC de manera correspondiente. Para entender la correlación se realizaron ensayos de microcalorimetría isotérmica, DRX y TGA en pastas, y ensayos de densidad y absorción, así como análisis SEM-BSE y EDS alrededor del agregado grueso en concretos, acompañados de procesamiento mediante análisis de imagen.
Los resultados experimentales, junto con criterios de fractura basados en energía (modo I y II), permitieron establecer que el incremento en la CA fue generado principalmente por la reducción del espesor de la ITZ como consecuencia de un aumento en la cantidad de C-(A)-S-H en esta región, atribuido a los tratamientos a través del mecanismo de formación de la ITZ (particularmente a efectos de muro y migración de especies iónicas). Por su parte, el incremento en la RC se vinculó al refinamiento de poros tanto dentro como fuera de la ITZ como consecuencia de los tratamientos. No obstante, dado el carácter de la ITZ como la región con mayor concentración de defectos críticos para la propagación de fractura, fue posible relacionar el aumento de la RC con el incremento en la CA mediante una expresión matemática basada en las ecuaciones que gobiernan ambas propiedades, permitiendo atribuir el aumento de la RC al fortalecimiento de la ITZ. Los resultados obtenidos en este estudio bajo el marco de concretos LC3 permitieron, además, realizar un análisis comparativo de las características de su ITZ con aquella resultante en concretos OPC, constituyendo un aporte significativo a la comprensión microestructural de las mezclas elaboradas con dicho cemento bajo en carbono. (texto tomado de la fuente)
Abstract
In the pursuit of carbon neutrality, a progressive reduction in clinker content has been proposed, which introduces microstructural changes that affect concrete performance. LC3 cements, which incorporate limestone (LS) and metakaolin (MK), constitute a promising alternative to reduce clinker content without compromising, and even improving, the mechanical performance of the material. This is why microstructural study of LC3 mixtures is matter of interest. Recognizing the interfacial transition zone (ITZ) around coarse aggregates as the critical region for the microstructural analysis of concrete, this work studied the ITZ in LC3 concretes by analyzing the effects of MK particle size refinement on its porosity, thickness, hydrate composition, and shear bond capacity (CA), as well as its influence on the global compressive strength of concrete (RC). LC3 mixtures were prepared with MK particle size refinement as the main treatment and LS particle size reduction as a synergistic factor, leading to improvements in both CA and RC. For selected cases, isothermal microcalorimetry, XRD, and TGA were performed on pastes, while density and absorption tests, as well as SEM-BSE and EDS analyses around the coarse aggregate were conducted on concretes. The latter were accompanied by image analysis processing. The experimental results, together with fracture criteria based on energy (modes I and II), made
it possible to establish that the improvement in CA was mainly generated by a reduction in ITZ thickness, as a consequence of an increased amount of C-(A)-S-H in this region, attributed to the treatments through the ITZ formation mechanism (particularly wall effects and ionic species migration). On the other hand, the improvement in RC was linked to pore refinement both within and outside the ITZ because of the treatments. Nevertheless, given the condition of the ITZ as the region with the highest concentration of critical defects for fracture propagation, it was possible to relate the increase in RC to the increase in CA through a mathematical expression based on the equations governing both properties, allowing the improvement in RC to be attributed to ITZ strengthening. The results obtained in this study within the framework of LC3 concretes also enabled a comparative analysis of the characteristics of their ITZ with that resulting in OPC concretes, constituting a significant contribution to the microstructural understanding of mixtures produced with this low-carbon cement.
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