Self-healing grouts incorporating crystalline admixtures and microcapsules for enhanced durability and corrosion resistance

Abstract

The use of more sustainable construction materials is important to address current environmental, economic and social challenges. In this context, self-healing cementitious materials is an interesting option toward enhanced durability and sustainability. This thesis investigates the effect of two types of self-healing agents - a crystalline admixture and microcapsules containing a waterproofing compound - in cementitious grouts, focusing on their influence on fresh and hardened state properties, as well as on protection against chloride-induced corrosion. Two groups of grouts with similar flow times were produced: the first (Group 1), composed of grouts with similar compositions but different water/binder ratios; and the second (Group 2), with identical water/binder ratios but different formulations. In Group 1, both grouts exhibited good workability, long initial setting times and low viscosity. However, the water/binder ratio proved to be the most determining factor in the performance of the grout containing the crystalline admixture, which showed higher porosity and lower mechanical strength. In Group 2, the effects of the crystalline admixture were more evident in the hardened state, leading to reduced porosity and higher compressive strength. In corrosion tests, the inclusion of the crystalline admixture increased total chloride uptake but also enhanced the chloride binding capacity. In Group 1, the admixture did not affect the formation of the passive layer but contributed to lowering corrosion rates under chloride exposure. In Group 2, however, the performance was less favorable: the passive layer broke down more rapidly and corrosion rates were higher. The incorporation of microcapsules introduced an additional variable, as there were indications of partial rupture of the capsules during mixing, which reduced mechanical strength. Their presence delayed hydration, reduced heat release, decreased the fraction of gel pores and increased the proportion of capillary pores. Nevertheless, the microcapsules enhanced the passive layer, although this protection was rapidly lost under chloride exposure. The combined use of the crystalline admixture and microcapsules influenced chloride threshold, reducing total chloride content and increasing the proportion of bound chlorides. Overall, this work highlights both the potential and the complexity of integrating self-healing agents into cementitious grouts. While the crystalline admixture contributes to stability and offers partial protection against corrosion, its performance strongly depends on the mix design and exposure conditions. The microcapsules, although promising, require further optimization to improve their robustness.

El uso de materiales de construcción más sostenibles es crucial herramienta a los retos ambientales, económicos y sociales actuales. En este contexto, los materiales cementicios autorreparables representan una opción interesante para mejorar la durabilidad y la sostenibilidad. Esta tesis investiga el efecto de dos tipos de agentes autorreparadores —un aditivo cristalino y microcápsulas que contienen un compuesto hidrofugante— en lechadas cementicias, centrándose en su influencia sobre las propiedades en el estado fresco y endurecido, así como en la protección frente a la corrosión inducida por cloruros. Se elaboraron dos grupos de lechadas con tiempos de flujo similares: el primero (Grupo 1), compuesto por lechadas con composiciones similares pero diferentes relaciones agua/aglutinante; y el segundo (Grupo 2), con relaciones agua/aglutinante idénticas, pero formulaciones distintas. En el Grupo 1, ambas lechadas mostraron buena trabajabilidad, retardo en el inicio del fraguado y baja viscosidad. Sin embargo, la relación agua/aglutinante resultó ser el factor más determinante en el desempeño de la mezcla que contenía el aditivo cristalino, la cual presentó mayor porosidad y menor resistencia mecánica. En el Grupo 2, los efectos del aditivo cristalino fueron más evidentes en el estado endurecido, lo que condujo a una mejor porosidad y una mayor resistencia a la compresión. En los ensayos de corrosión, la inclusión del aditivo cristalino aumentó la absorción total de cloruros, pero también mejoró la capacidad de fijación de estos iones. En el Grupo 1, el aditivo no afectó la formación de la capa pasiva, aunque contribuyó a reducir las tasas de corrosión bajo exposición a cloruros. Sin embargo, en el Grupo 2, el rendimiento fue menos favorable: la capa pasiva se rompió más rápidamente y las tasas de corrosión fueron más elevadas. La incorporación de microcápsulas introdujo una variable adicional, ya que se observaron indicios de ruptura parcial de las cápsulas durante la mezcla, lo que redujo la resistencia mecánica. Su presencia retrasó la hidratación, disminuyó la liberación de calor, redujo la fracción de poros del gel y aumentó la proporción de poros capilares. No obstante, las microcápsulas mejoraron la formación de la capa pasiva, aunque esta protección se perdió rápidamente bajo exposición a cloruros. El uso combinado del aditivo cristalino y microcápsulas influyó en la absorción de cloruros, reduciendo el contenido total y aumentando la proporción de cloruros fijados. En general, este trabajo muestra tanto el potencial como la complejidad de integrar agentes autorreparadores en lechadas cementicias. Mientras que el aditivo cristalino contribuye a la estabilidad y ofrece una protección parcial frente a la corrosión, su desempeño depende en gran medida del diseño de la mezcla y de las condiciones de exposición. Las microcápsulas son prometedoras, pero requieren una mayor optimización para mejorar su robustez.