SIP 20161016 Simulación numérica del transporte de masa y calor acoplado a reacción química en medio poroso.

El curado de concreto hidráulico con vapor de agua es aplicado en la industria de prefabricados, y tiene la ventaja de acelerar las reacciones de hidratación del cemento. Consecuentemente, el material desarrolla resistencia a la compresión y reduce su permeabilidad en horas, comparado con el curado normal en condiciones ambientales, donde las reacciones de hidratación requieren varios días e incluso meses para llegar a su grado máximo.
El proceso de curado con vapor consiste en incrementar la temperatura dentro de una atmosfera con vapor saturado. En este proceso, la hidratación tiene un impacto significativo en la generación de calor dentro del material a edades tempranas, afectando las propiedades mecánicas y durabilidad del material ya endurecido. Por consiguiente, es importante analizar el proceso de hidratación y la transferencia de calor para prevenir un daño prematuro en elementos de concreto prefabricado.
Algunos trabajos previos de curado con vapor han sido realizados, buscando el mejoramiento de la resistencia a la compresión, el desarrollo de estructura de poro, y la mejora en la eficiencia energética del proceso, sin embargo existen pocos modelos matemáticos que analicen el proceso.
Con el objetivo de estudiar el proceso de transporte de calor y masa acoplado a la hidratación del cemento, varias perspectivas ha sido adoptadas. Muchos trabajos han hecho esfuerzos para estudiar el curado a temperatura ambiente pero sin la aplicación de vapor.
En el presente trabajo proponemos realizar una simulación numérica del curado con vapor de agua, considerando una ecuación de madurez, para acoplar el transporte de humedad, la evolución de la temperatura y las reacciones químicas.
Para validar las predicciones de contenido de humedad, se propone realizar un análisis con la técnica de resonancia magnética nuclear (RMN) e imagenología (IRM).

En la industria de prefabricados de concreto, comúnmente los elementos son sometidos a ciclos de curado con vapor de agua, con el fin de acelerar las reacciones de hidratación y obtener propiedades mecánicas y de durabilidad en un corto tiempo comparado con la hidratación a temperatura ambiente. Sin embargo, durante el proceso de curado se generan gradientes de temperatura y humedad que de ser excesivos pueden comprometer la durabilidad de los elementos de concreto debido al micro-agrietamiento. En el presente proyecto se desarrolló una simulación numérica para la hidratación de probetas de concreto, considerando el transporte de calor y de humedad. El modelo acopla el transporte de masa y calor a la reacción química en mortero de cemento durante el curado con vapor. Las reacciones de hidratación fueron modeladas por una función de madurez que utiliza el concepto de tiempo equivalente. Utilizando el método de fuente de plano transitorio, se determinó experimentalmente la conductividad térmica y el calor especifico de mezclas de mortero con relación agua/cemento de 0.30 y 0.45. 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 experimentos de curado 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. La comparación de temperatura tiene residuales máximos de 2.5°C y 5°C para condiciones semi-adiabáticas y de curado con vapor, respectivamente. La simulación predice correctamente la distribución de agua evaporable, la cual se comparó con los perfiles obtenidos por imagenología de resonancia magnética.