Transferencia de masa y calor con reacción química en materiales base cemento durante el curado con vapor de agua

Abstract

En el presente trabajo se desarrollaron dos modelos matemáticos para simular la hidratación acoplada al transporte de calor y masa. El primero de ellos consiste en un modelo basado en la mecánica de medio continuo, para describir las reacciones de hidratación que ocurren en una partícula de cemento en contacto con agua. El transporte de calor y masa en la partícula se describió tomando en cuenta los mecanismos de conducción y difusión. Con relación a la reacción de hidratación, se consideró la estequiometría de las reacciones exotérmicas de cada una de las fases, las cuales se escribieronusando un enfoque de ingeniería de reacciones, es decir en forma de ecuación diferencial. El sistema de ecuaciones se resolvió simultáneamente utilizando Comsol Multiphysics 4.3b. Los resultados describen correctamente la formación de productos de hidratación y el consumo de los reactantes, simulando la formación de una cubierta alrededor de la partícula sin reaccionar, así como la evolución de temperatura debida a las reacciones exotérmicas. El segundo modelo acopla el transporte de masa y calor a la reacción química en mortero de cemento durante el curado con vapor. En esta segunda propuesta, la hidratación se describió por una función de madurez que usa el concepto de tiempo equivalente. Durante la hidratación se determinó experimentalmente la conductividad térmica y el calor especifico de mezclas de mortero con relación agua/cemento de 0.30y 0.45utilizando el método de fuente de plano transitorio. Los parámetros de la ecuación de madurez y la energía de activación se obtuvieron por calorimetría isotérmica a 23°C y 38°C. Se realizaron también experimentos en condiciones semi-adiabáticas y de curado con vapor para obtener la evolución de temperatura y perfiles de contenido de humedad. Estos últimos se monitorearon por imagenología de resonancia magnética.El grado de hidratación se obtuvo por el método de calcinación y por espectroscopía infrarroja.Se simularon tres geometrías de especímenes y los resultados se compararon con datos experimentales. La comparación de temperatura tiene residuales máximos de 2.5°C y 5°C para condiciones semi-adiabáticas y de curado con vapor, respectivamente. El modelo predice correctamente la distribución de agua evaporable, la cual se comparó con los perfiles obtenidos por imagenología de resonancia magnética. Finalmente, el modelo se utilizó para simular el proceso de curado en vapor de vigas de concreto ASSTHO tipo VI, en donde se simularon los gradientes de temperatura,de humedad, la evolución de la temperatura y el grado de hidratación. El modelo se utilizó como herramienta de predicción mostrando las condiciones en la cual el material puede sufrir daño por agrietamiento térmico.