Self-healing behaviour of sustainable concretes with forest biomass ash and coal bottom ash aggregates under CO₂-saturated environments

Abstract

[Abstract] This study investigates the autogenous self-healing behaviour of two concrete mixes: a reference concrete, and a sustainable ternary mix incorporating 25% forest biomass ash and 15% metakaolin as partial cement replacement, together with 30% porous fine aggregate from coal bottom ash. After pre-cracking, specimens were exposed to tap water (TW) and CO₂-saturated water (W-CO₂), under both continuous immersion and variable humidity conditions, for 28 and 90 days. Self-healing was assessed using the Crack Sealing Index (CSI), the Impermeability Recovery Index (IRI) and SEM–EDS analysis. Curing in TW promoted effective crack sealing in both mixes, with CSI values of 95–100% for cracks ≤90 µm. In contrast, curing in W-CO₂ significantly reduced the CSI of the reference concrete to 60–70%, whereas the sustainable mix showed higher CSI values (increases of 25–30%) and a marked improvement in IRI, reaching 75–85% under variable humidity. Microstructural observations confirmed greater stability and continuity of self-healing products in the sustainable.

[Resumen] Este estudio investiga el comportamiento de autocurado autógeno de dos mezclas de hormigón: un hormigón de referencia, y una mezcla ternaria sostenible que incorpora un 25% de cenizas de biomasa forestal y un 15% de metacaolín como sustitución parcial del cemento, junto con un 30% de árido fino poroso procedente de cenizas de fondo de carbón. Tras la prefisuración, las probetas se expusieron a agua de grifo (TW) y agua saturada con CO₂ (W-CO₂), tanto en inmersión continua como bajo condiciones de humedad variable, durante 28 y 90 días. El autocurado se evaluó mediante el Crack Sealing Index (CSI), el Impermeability Recovery Index (IRI) y análisis SEM–EDS. El curado en TW favoreció un sellado eficaz de fisuras en ambas mezclas, con valores de CSI del 95–100% para fisuras ≤90 µm. En cambio, el curado en W-CO₂ redujo significativamente el CSI del hormigón de referencia hasta 60–70%, mientras que la mezcla sostenible mostró valores superiores de CSI (incrementos del 25–30%) y una mejora notable del IRI, alcanzando 75–85% bajo humedad variable. Las observaciones microestructurales confirmaron una mayor estabilidad y continuidad de los productos de autocurado en la mezcla sostenible.