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4. Métodos de Evaluación Experimental en Estructuras de Concreto

4.1. Introducción La parte experimental en la evaluación en estructuras de concreto comprende en la práctica la caracterización del material por medio de probetas estandarizadas preparadas y ensayadas en laboratorio o por ensayos realizados en el lugar de naturaleza no destructiva en la propia estructura. Los ensayos de naturaleza no destructiva se reflejan en varios métodos que han surgido como medios para estimar el parámetro de resistencia en el concreto. La caracterización del acero de refuerzo como parte componente de la estructura, viene dado por varias técnicas propuestas que estiman parámetros relacionados con la corrosión.

4.2. Ensayos a Compresión en Probetas Estándar 4.2.1. Preparación y ensayo de probetas estándar En al moldeo de las probetas cilíndricas estándar, los requisitos para moldes según ASTM C470 pueden ser reusables o desechables. Para un cilindro estándar, las medidas internas de los moldes son de 150mm de diámetro × 300m de altura. En general, los moldes desechables resultan en una reducción de un 3% con desviaciones estándar más altas. Para el moldeado de concreto (ASTM C31) se llena en tres capas. Si el cono es mayor a 75mm el concreto se consolida por varillado. Si el cono es menor a 25mm el concreto se consolida por vibración. Conos entre 25 y 75mm se pueden consolidar por ambas formas antes descritas. El espécimen a ser consolidado, debe llenarse en tres capas varilladas cada una 25 veces con una varilla punta de bala de 16mm. Para la capa subyacente, la varilla deberá penetrar 25mm. Después del varillado, el cilindro deberá de golpearse con un martillo de goma de 10 a 15 veces. Especímenes en vibrado deberán llenarse a 2 capas; después de consolidado, la superficie se acaba golpeteando con varilla o llana. Los cilindros se fabrican por tres razones:

1. Revisar si la mezcla del laboratorio reúne la resistencia de diseño. 2. Determinar el tiempo de retiro del encofrado. 3. Tiempo de puesta en servicio de la estructura.

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Si los cilindros se fabrican por la razón 1 deben curarse entre 16 y 27°C para las primeras 24 ó 48 horas que se prevenga la pérdida de humedad. Los especímenes se quitan del molde y deben contactar con un cuarto de curado ó en agua de cal a 23±2°C hasta la prueba. Si se fabrican en laboratorio (ASTM C192) deben mantenerse a 23±2°C desde el momento de colado. La tersura de las superficies del cilindro en contacto con los cabezales que no son necesariamente planas, podrían reducir la resistencia del concreto. Superficies convexas llevará a una reducción de la resistencia que aquellas cóncavas. Es necesario entonces que las superficies estén planas en 0.05mm. Una forma es pulir mecánicamente las superficies, sobre todo para concretos de alta resistencia. Las otras formas que existen (ASTM C617) es cabecear con un material adecuado, como cemento portland (para especímenes recién colados), yeso o mortero de azufre (para especímenes endurecidos). El mortero de azufre se prepara calentándolo a 130°C colocándolo en un molde en aceite, colocando el cilindro sobre éste para obtener un espesor aproximado de 3mm alineado perpendicularmente a su eje vertical a menos de 0.5°. Otra técnica consiste en cabecear con tapas elastoméricas inadheribles (ASTM C1231) junto con un anillo metálico que evita se expanda lateralmente el elastómero. Este sistema pueda usarse hasta 100 veces y las resistencias obtenidas son 2% menores que aquellas usando cabeceo con azufre o cemento portand, también tienen un límite de resistencias de hasta 50 MPa. Para el ensayo a compresión (ASTM C39). se utiliza una máquina universal. El índice de carga hacia el cilindro debe ser de 0.15 a 0.35MPa/seg para máquinas hidráulicas ó a un índice de deformación de 1mm/min para máquinas mecánicas. El dato valioso es la máxima carga soportada por el cilindro. 4.2.2. Determinación de la resistencia a compresión en cubos Por lo general estas pruebas de compresión de cubos se realizan en países europeos. La Norma BS Británica requiere de moldes de 150 × 150 × 150mm llenados concreto a tres capas cada una compactada por varillar 35 veces con una varilla cuadrada de 25mm por lado; siendo otra forma de compactar la vibración. La muestra se maneja del mismo procedimiento descrito para probetas cilíndricas, excepto que la temperatura de curado es de 20±1°C. La posición de prueba de la probeta es la misma dirección en que es colada. Las caras de contacto no son pulidas ni cabeceadas por la razón de que son coladas contra las caras del molde metálico. El índice de carga es de 0.25MPa/seg a la falla. La principal desventaja de esta prueba es la creación de fricción entre los platos y las caras del espécimen creando más confinamiento (compresión triaxial) que resulta en valores de resistencia mayores que las obtenidas en probetas cilíndricas la relación de resistencias de cubos/resistencia de probetas cilíndricas se asume igual a 1.25, pero varía a 1.3 para concretos de baja resistencia hasta 1.04 para concretos de alta resistencia. 4.2.3. Factores que afectan la medición de la resistencia a compresión Distribución de esfuerzos en espécimen. La prueba a compresión asume un estado de compresión axial pura, que realmente no es el caso, debido a la fricción entre las caras del espécimen y los platos de la máquina actuando como restricciones. Este esfuerzo de confinamiento (que también introduce esfuerzos cortantes) es mayor justo en el filo del espécimen y disminuye gradualmente a una distancia desde el filo hasta una distancia 0.87del diámetro del espécimen. La naturaleza exacta de la distribución de esfuerzos depende del tipo de contacto entre las caras del espécimen y los platos para una determinada prueba. La manifestación de este esfuerzo de confinamiento lateral es por lo general la aparición de unos conos relativamente ilesos (ó pirámides) de concreto en el espécimen, como se muestra en la Fig. 4.1a). De esa forma, para un cilindro estándar de l/d=2 sólo una pequeña porción central del cilindro es verdaderamente compresión uniaxial y el resto sujeto a un estado triaxial de esfuerzos. El efecto de este tipo de restricción es que brinda una resistencia aparentemente más alta que la resistencia a compresión real. Esta resistencia aparente es directamente proporcional al volumen relativo del espécimen, es decir a

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relaciones l/d <2. Para una dada geometría, esfuerzos de confinamiento altos resultarán en resistencias más altas. Si se elimina fricción entre los platos y las caras del espécimen, se inducirán tensiones laterales en las orillas del espécimen, reduciendo su resistencia, fallando por tensión vertical [Fig. 4.1b)]. En todo caso los materiales usados en los platos para reducir la fricción resultan aún incapaces de eliminar los efectos de confinamiento. Fig. 4.1. Patrones de falla típicos en cilindros de concreto a compresión: a) confinamiento en ambos lados, b) confinamiento inferior y falla por tensión superior, c) falla por tensión. Estrictamente hablando, resulta pues incorrecto plantear la “falla por compresión del concreto”, dado que la compresión define la unión de los átomos o moléculas entre si; es difícil el ver como la compresión pura conduce a la falla. Ya que no se puede evitar la restricción es probable la falla ocurra por alguna combinación de fuerzas (Fig. 4.1c); las grietas por tensión no se pueden propagar por las porciones del espécimen bajo un esfuerzo de confinamiento lateral. 4.2.4. Aparato de pruebas Para la prueba a compresión, no se puede cumplir que los planos horizontales del espécimen sean perpendiculares a su eje vertical. Por ello se utiliza una rótula en los platos y una pequeña desalineación no afectará la resistencia. La Norma ASTM C39 recomienda la lubricación de estas rótulas con aceite convencional. Rigideces diferentes en los platos conducen a diferentes resultados por la razón de su distorsión produciendo diferentes distribuciones de esfuerzos en las caras de los especímenes. Existe un tipo de plato con un mallado fino que permite al concreto expandir lateralmente con poca restricción; este sistema se aproxima mejor a la compresión uniaxial verdadera, resultando por supuesto en resistencias menores. Las máquinas de pruebas pueden variar en rigidez de relativamente duras a blandas, pero esta diferencia es despreciable en la determinación de la resistencia a compresión. sin embargo, aquellas máquinas con mucha rigidez permiten se observe la parte descendiente de una curva carga-deflexión. 4.2.5. Efecto de la relación l/d El cilindro estándar tiene una relación de l/d igual a 2, aún cuando se puede ver confinamiento lateral. Si se utilizan otras relaciones l/d, la resistencia del espécimen cambia debido a los efectos antes descritos. La Fig. 4.2 muestra la relación l/d contra resistencia.

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La forma exacta de esta curva depende de las condiciones de restricción y el tipo de concreto usado. El concreto de alta resistencia se afecta menos por las variaciones de la geometría del espécimen. Fig. 4.2. Relación longitud y diámetro del espécimen contra la resistencia a compresión. Como regla general, para especímenes sujetos a restricción, la relación l/d igual a 3 es lo suficientemente alta para dar una compresión triaxial única. El efecto l/d es significativo en núcleos extraídos donde la relación l/d por lo general es menor a 2; en ese caso se muestran factores de corrección en la Tabla 4.1 tomado de la Norma ASTM C42. Si la relación l/d es mayor a 2, se debe cortar el espécimen antes de probarse.

Tabla 4.1. Relaciones de l/d y la resistencia

a compresión (Norma ASTM C42).

Relación l/d Factor de corrección de resistencia

2.00 1.00

1.75 0.98

1.50 0.96

1.25 0.93

1.00 0.87

4.2.6. Geometría del espécimen Puesto que las diferentes geometrías de los especímenes (cilindros o cubos) dan diferentes valores de resistencias, se puede decir que claramente la geometría de cubo es algo más sencilla de probar puesto que no requiere cabeceo, sin embargo la tendencia es usar cilindros más que cubos especialmente en investigación ya que existe la idea de que representa mejor la resistencia del concreto. En cilindros, la resistencia y la variabilidad de la resistencia disminuye cuando el tamaño del espécimen se incrementa. 4.2.7. Índice de carga En general, a mayor índice de carga mayor el valor de resistencia medido; las razones no están claras. Puede ser que bajos índices de carga admiten mas crecimiento de grietas llevando a la formación de grietas más largas y por tanto cargas a menor fractura.

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4.2.8. Contenido de humedad La norma ASTM C 39 establece que el concreto debe mantenerse y probarse en estado saturado. Se ha encontrado que los concretos secos incrementan su resistencia, razón no muy comprendida; es posible que tenga que ver con el cambio de la estructura del C-S-H sobre el secado ó simplemente representar el cambio en la fricción interna por un efecto de lubricado permitiendo a las partículas deslizarse una con otra más fácilmente. Para un espécimen seco, el incremento de resistencia puede ser del orden del 10 al 15%. 4.2.9. Temperatura en la prueba La temperatura del espécimen en el momento de la prueba afecta la resistencia como se muestra en la Fig. 4.3. A un incremento de temperatura, resultará en bajas resistencias. Es probable que al menos parte del efecto sea debido a la pérdida de humedad del espécimen mientras es condicionado a las temperaturas más altas.

Fig. 4.3. Resistencia a compresión en función de la temperatura en el momento de prueba.

4.2.10. Otras pruebas al concreto Resistencia a la tensión Hasta el momento la ASTM no ha publicado una norma para la estimación directa de la resistencia a tensión del concreto por la razón tan fuerte que existe de la inducción de esfuerzos secundarios durante la sujeción del espécimen hacen difícil llevar a cabo el ensayo y dificultades en la interpretación de resultados. Sin embargo el RILEM (International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures) ha preparado una recomendación para llevar a cabo una prueba a tensión directa (enfocada más a investigación que a rutina de control) mediante la unión de los especímenes cilíndricos o cúbicos a los platos por resina en especímenes. Los lados de los especímenes deben de cortarse para eliminar sus efectos debidos al colado y vibración y deben ser perpendiculares al eje hasta en 0.25°. se aplica un índice de carga de 0.05MPa/seg hasta la falla. Existe sin embargo un método común para estimar la resistencia a tensión indirectamente conocida como prueba a tensión indirecta (Fig. 4.4). Esta prueba se lleva a cabo mediante cilindros estándar probado a compresión diametral como se muestra en la Fig. 4.5 y se sujeta a los siguientes esfuerzos:

.1r)-(D-r

D

πLD

2Pσvertical,Compresión

2

c

4.1

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Fig. 4.4. Ensayo a tensión indirecta. Fig. 4.5. Distribución de esfuerzos entre el diámetro cargado del cilindro comprimido entre los platos. Donde P es la carga a compresión aplicada, L la longitud del cilindro, D es el diámetro del cilindro y r la distancia del elemento desde la parte superior del cilindro. No resulta práctico aplicar una carga lineal estrictamente porque los lados no son lo suficientemente lisos induciendo esfuerzos a compresión muy altos, por lo que la carga se aplica por medio de una tira angosta de un material relativamente suave. Entonces, la distribución de esfuerzos a tensión por el eje vertical del diámetro es como se muestra en la Fig. 4.5a), existiendo entonces concentración de esfuerzos a compresión muy altos cerca de las paredes del diámetro vertical y esfuerzos a tensión uniformes actuando aproximadamente a los dos tercios centrales del espécimen. Como se especifica en la Norma ASTM C496, la prueba se lleva en probetas cilíndricas coladas o extraídas, las tiras son de triplay de 3 mm de espesor y 25mm de ancho. La carga se aplica a un índice de 690 a 1380kPa/min de esfuerzo a tensión hasta la falla. La resistencia a tensión se calcula entonces por medio de la Ec. 4.3. Es posible realizar la prueba de tensión indirecta mediante cubos. Esto se hace aplicando carga a dos barras semicirculares en la línea central de dos caras opuestas. Los resultados se parecen en mucho a aquellos obtenidos de probetas cilíndricas; el esfuerzo a tensión horizontal es entonces:

πLD

2Pσ,horizontalCompresión t 4.2

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2tπa

2Pσ 4.3

Donde a es el lado del cubo. No hay relación simple entre los valores de la resistencia a tensión indirecta de las pruebas y la tensión directa medida. Se presume con reserva que los valores de tensión indirecta son del 5 al 12% mayores que los valores de la resistencia a tensión directa.

4.3. Inspección Visual de Carácter No Destructivo La inspección visual puede considerarse como el primer paso dentro del proceso de una evaluación de una estructura. El conocimiento preliminar de la estructura determina los procedimientos a seguir en la determinación de causas de defectos y la aplicación de una metodología adecuada para llevar a cabo una inspección más a fondo. 4.3.1. Herramientas y equipo para inspección visual

El ingeniero que lleva a cabo la inspección visual debe contar con equipo y herramientas para que le faciliten la inspección. Esto incluye gran cantidad de accesorios comunes tales como (Fig. 3.1):

Cintas de medir o reglas, marcadores, termómetros, anemómetros

Binoculares, telescopios, boroscopios y endoscopios

Medidores de anchos de grieta, lupas, microscopios portátiles para examinaciones cercanas, cámaras con zoom

Diagramas portátiles de patrón de colores

Un juego completo de planos relevantes que muestren elevaciones, detalles estructurales.

Anemómetro Boroscopio Medidor de ancho de

grieta Microscopio portátil

Fig. 4.6. Algunos accesorios de inspección visual.

4.3.2. Procedimiento general para inspección visual

Antes de comenzar una prueba visual, el ingeniero debe examinar todos los planos estructurales para familiarizarse con la estructura. También deberán examinarse los planos auxiliares que incluyan especificaciones técnicas, reportes pasados de ensayos o inspecciones, memorias de construcción, detalles de materiales usados, métodos y fechas de construcción, etc. La inspección se debe ejecutar sistemáticamente y cubrir los defectos pasados y presentes usados en la estructura, las condiciones de estructuras adyacentes y condiciones medioambientales. Se deben identificar y clasificar todos los defectos de igual forma que aquellos usados para concreto dañado por fuego y de ser posible las causas que los identifican. La distribución y extensión de los defectos debe reconocerse con exactitud; existe necesidad de identificar defectos asociados, espacialmente en aquellos

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en que un defecto en particular domina. La segregación o exudación excesivos puede reflejar problemas en la mezcla de concreto, como consecuencia generarse un agrietamiento por retracción plástica, mientras un concreto con vacíos puede ser una indicación de una pobre aplicación de mano de obra. La falta de serviciabilidad o adecuación estructural se puede reflejar en excesivas deflexiones o agrietamientos estructurales y puede ser la razón fundamental de la realización de ensayos en el lugar para una estructura. Las deflexiones por fluencia a largo plazo, movimientos térmicos o estructurales pueden causar distorsión en las instalaciones adyacentes a la estructura, como rompimiento de ventanas ó los acabados. La deterioración del material, indica por lo general un agrietamiento y un astillamiento superficial del concreto, por lo que una examinación de patrones de agrietamiento puede dar una indicación preliminar de la causa. Un ejercicio de diagnóstico de mapeo de grietas es muy importante cuando se determinan las causas y progreso del deterioro. La observación de las variaciones en la textura superficial y color puede ser una guía útil para evaluar la uniformidad; el cambio de color es un indicador de la extensión de daño por exposición al fuego. La inspección visual no está relegada realizarse sólo en superficies, sino también a complementos de la estructura, como la inspección en apoyos, juntas de expansión, canales de drenaje, etc. Cualquier uso ajeno en la estructura puede identificarse cuando se compara con el fin original para la cual se diseñó la misma. La inspección también necesita realizarse para las condiciones particulares medioambientales en las cuales cada parte de la estructura ha sido expuesta, en particular, la frecuencia de secado y humedecimiento y la variación de la temperatura que influencian varios mecanismos de deterioración en el concreto. Por ejemplo, en estructuras marinas, es importante identificar la zona de salpicado “splash”ó también los asentamientos del suelo ó fallas geotécnicas. También se debe tomar en cuenta los factores externos como el clima en la localidad, ya que factores como las heladas pueden ser de mucha importancia cuando se evalúan las causas de la deterioración. Se debe hacer un registro de todos los datos datallados de todas las observaciones cuando se proceda a la inspección. Los detalles de croquis se pueden marcar, colorearse o subrayarse para indicar la severidad local de cada referencia. Aquellos defectos que se necesitan registrar incluyen:

Agrietamiento. Que puede variar ampliamente en su naturaleza y estilo dependiendo del elemento causante

Superficies con picaduras o astillamientos

Decoloración de la superficie

Movimientos diferenciales o desplazamientos

Crecimiento de algas o vegetales

Vacíos superficiales

Enjambrado

Marcas de exudación

Juntas de construcción y juntas levantadas

Exudación de eflorescencia 4.3.3. Aplicaciones para la inspección visual Para estructuras existentes, la presencia de algún detalle que necesite más investigación, se indica por lo general por la inspección visual y ésta debe considerarse el punto más importante en el mantenimiento rutinario. Está también servirá como base en decisiones relacionadas a los requisitos de seguridad cuando se seleccionan los métodos de prueba. Como lo anteriormente señalado, una inspección visual ofrece una indicación inicial de la condición del concreto que permite la formulación de un programa posterior de pruebas ó ensayos. Es tambien que se puede efectuar a través de tales inspecciones la propia documentación de defectos y características en el concreto. Con la vista bien entrenada, la inspección visual puede descubrir información sustancial

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concerniente a la estructura tal como los métodos de construcción, desgaste, ataque químico, daño mecánico, deterioración física, deficiencias de construcción ó fallas y muchos otros.

4.4. Métodos No Destructivos para Determinar Resistencia y Uniformidad en Concreto

4.4.1. El Esclerómetro o Martillo Schmidt

En 1948, el Ingeniero Suizo Ernst Schmidt, dio a conocer un martillo de prueba para medir la dureza del concreto, basado en el principio del rebote. Los resultados de ese trabajo se presentaron en el Swiss Federal Materials Testing and Experimental Institute de Zurich, donde el martillo se construyó y fue probado extensivamente. Aproximadamente 50,000 martillos Schmidt se han vendido hasta 1986 en todo el mundo. El martillo Schmidt es en esencia un método aparato para medir la dureza superficial que se puede relacionar con la:

Uniformidad en el lugar del concreto

Delinear regiones en una estructura de calidad pobre o concreto deteriorado

Estimar la resistencia en el lugar con una adecuada correlación. Sin embargo, se han establecido correlaciones teóricas con ciertas limitaciones entre las propiedades de la resistencia y el número de rebote. El martillo Schmidt se muestra en la Fig. 4.7. Fig. 4.7. Imagen del Martillo Schmidt. Este martillo tiene un peso aproximado de 20 N y es adecuado para usarse en laboratorio y campo. Un corte esquemático se muestra en la Fig. 4.8. Los componentes principales son: el cuerpo, la barra, contrapesos y el resorte principal. La distancia de rebote se mide sobre una escala arbitraria marcada del 10 al 100. La distancia de rebote se registra como un “número de rebote” correspondiente a la posición del marcador en la escala. Fig. 4.8. Corte Esquemático del Martillo Schmidt.

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La prueba puede llevarse a cabo con el esclerómetro horizontalmente, verticalmente, hacia arriba o hacia abajo o en cualquier otro ángulo. Debido a los efectos de la fuerza de gravedad en el rebote cuando se cambia de ángulo, el número de rebote será diferente para un mismo concreto y será necesario requerir una calibración por separado o la corrección de diagramas. Cada martillo Schmidt se fabrica con curvas de correlación desarrollados por el fabricante utilizando cubos estándar. Sin embargo, no se recomienda el uso de estas curvas debido a las condiciones del material y los ensayos que no pueden asemejarse con aquellas prevalecientes a la hora del ensayo. Como solución, se enuncian los siguientes pasos para una correlación típica.

1. Preparar un número suficiente de cilindros de 150 300 mm que cubran el rango de resistencia semejante a la existente del lugar de la obra. Utilizar el mismo tipo de cemento y agregados que serán utilizados en la obra. Curar los cilindros bajo condiciones estándar, manteniendo el mismo periodo de curado del aquel expuesto en el campo.

2. Después de cabecear los cilindros, probarlos a compresión en una máquina para tales ensayos, bajo una carga inicial de aproximadamente 15% de la carga última para restringir el espécimen, asegurándose que los cilindros están en condiciones saturadas.

3. Realizar con el martillo Schmidt 15 lecturas en la superficie lateral del cilindro, 5 de ellas en cada una de las tres líneas repartidas en la circunferencia (120° cada una) a lo largo de la mitad de los tercios laterales, evitando probar en el mismo punto dos veces. Para el caso de cubos, tómese 5 lecturas en cada una de las caras desmoldeadas, evitando probar en el mismo punto dos veces.

4. Promediar las lecturas y este promedio será el número de rebote para el cilindro probado. 5. Repetir este procedimiento para todos los cilindros. 6. Probar los cilindros a compresión y graficar los números de rebote vs resistencia a compresión. 7. Hacer un ajuste de curvas por el método de los mínimos cuadrados.

La Norma ASTM C805 se utiliza para los pasos previamente mencionados y amplía el concepto del uso estandarizado del esclerómetro. Alcances y Limitaciones del Esclerómetro Aunque el martillo Schmidt ofrece medios prácticos para revisar la uniformidad del concreto, tiene sin embargo serias limitaciones que deberían reconocerse. Los resultados del martillo Schmidt están afectados por:

La regularidad de la superficie de prueba La textura superficial tiene un efecto importante en la precisión de los resultados de pruebas. Cuando se lleva a cabo una prueba sobre una superficie de textura rugosa, la punta de la barra del martillo causará un aplastamiento excesivo, teniendo un número de rebote reducido. Se pueden obtener unos resultados más precisos puliendo la superficie rugosa hasta lograr una superficie lisa con una piedra de carburo. Para superficies enllanadas o desmoldeadas en metal se dan números de rebote del 5 al 25 % más altos que aquellas superficies desmoldeadas en madera.

El tamaño, la forma y rigidez de los especímenes Si la sección del concreto o el espécimen de prueba, tal como lo es una viga delgada, pared, un cubo de

150 mm o cilindros de 150 300 mm, cualquier movimiento bajo el impacto reducirá las lecturas de impacto. En tal caso, el miembro deberá de estar sujeto rígidamente o estar apoyado por una masa pesada. Se ha mostrado por Mitchell y Hoagland que la carga de restricción para los especímenes de prueba al cual el número de rebote permanece constante, parece variar con el espécimen. Sin embargo, la carga de restricción efectiva para unos resultados consistentes parece que es aproximadamente del 15% de la

carga última de cilindros de 150 300 mm (Fig. 4.9).

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Fig. 4.9. Carga de restricción contra el número de rebote para cilindros de 150 x 300 mm.

La edad de los especímenes de prueba

Kolek ha indicado que el índice de ganancia de la dureza de la superficie del concreto es rápida hasta la edad de 7 días, habiendo posteriormente una ganancia muy poca o nula; sin embargo, para un concreto curado apropiadamente existe una ganancia de dureza significativa más allá de los 7 días. Se ha confirmado por Zoldners y Victor que para una resistencia igual, se obtienen valores de rebote más altos en concretos de 7 días que en aquellos de 28 días de edad. Debe enfatizarse que cuando haya de probarse un concreto muy maduro, es necesaria una correlación directa entre el número de rebote tomado de la estructura y la resistencia a compresión de corazones tomados de la misma. El uso del martillo Schmidt para probar concreto de baja resistencia a edades tempranas, o cuando la resistencia del concreto es de 7 N/mm

2, no se recomienda su uso debido a que los números de rebote

son demasiado bajos para obtener una lectura precisa. La Fig. 4.10 muestra abolladuras causadas por la pruebas de rebote sobre superficies de cilindros de concreto de 8 horas y 3 días de edad. Fig. 4.10. Especímenes de 8 horas y 3 días de edad mostrando las abolladuras superficiales después de probarse con el martillo Schmidt.

Las condiciones de la humedad en la superficie y en el interior del concreto El grado de saturación del concreto y la presencia de humedad en su superficie tiene un efecto decisivo en la evaluación de los resultados. Zoldners ha demostrado que aquellos especímenes bien curados y secados al aire cuando se remojaron en agua y se probaron en las condiciones saturadas de superficie seca, mostraron unas lecturas de rebote 5 puntos más abajo que aquellas que cuando se probaron en estado seco. Cuando los mismos especimenes se dejaron en un cuarto a 21°C y secados al aire, estos recuperaron 3 puntos en 3 días y 5 puntos en 7 días. Klieger et al. mostraron que para un concreto de 3 años de edad, existieron diferencias hasta de 10 a 12 puntos en números de rebote entre especimenes expuestos en condiciones húmedas y secas. Esta diferencia en números de rebote representa aproximadamente una diferencia de 14 N/mm

2

en la resistencia a compresión.

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Se recomienda que cada vez que se desconozcan las condiciones actuales en el concreto de campo o laboratorio, sería aconsejable presaturar la superficie algunas horas antes de la prueba y utilizar la correlación para pruebas en especimenes saturados de superficie seca.

El tipo de agregado grueso Se está generalmente de acuerdo que el número de rebote está afectado por el tipo de agregado utilizado. De acuerdo a Klieger et al., para resistencias a compresión iguales, los concretos de agregados gruesos de caliza triturada, muestran números de rebote aproximadamente 7 puntos más abajo que aquellos concretos hechos con grava redondeada de río, representando aproximadamente 7 N/mm

2 de

diferencia en resistencia a compresión. Grieb ha mostrado, que aún si se usa el mismo tipo de agregado grueso y si este se obtiene de diferentes fuentes, se necesitarían diferentes curvas de correlación. La Fig. 4.11 muestra los resultados de un estudio donde se usaron 4 diferentes gravas para fabricar los cilindros de concreto usados. Greene encontró que el uso del martillo en especímenes y estructuras hechos con concreto aligerado mostró unos resultados bastante dispersos. Por ejemplo, un concreto aligerado hecho con arcilla expandida, dio a resistencias de compresión iguales, unos números de rebote diferentes que otro hecho con agregados de pumicita. Sin embargo, para cualquier otro tipo de concreto de agregado ligero, los números de rebote demostraron ser proporcionales a la resistencia a compresión. Fig. 4.11. Efecto de la grava de diferentes fuentes sobre el número de rebote en cilindros de concreto.

El tipo de cemento De acuerdo a Kolek, el tipo de cemento afecta significativamente las lecturas del número de rebote. Un concreto de cemento aluminoso puede tener una resistencia actual del 100% más alta que aquellos obtenidos usando una curva de correlación basada en concreto elaborado con cemento portland ordinario. Así también, un concreto de cemento supersulfatado puede tener un 50% de resistencia más baja que obtenido en las curvas basadas en un concreto de cemento portland ordinario.

El tipo de molde Mitchell y Hoagland llevaron a cabo estudios para determinar el efecto del tipo de molde sobre el número de rebote. Cuando los cilindros fueron colados en molde de acero grueso, acero delgado y cartón, no se notó una diferencia significativa en las lecturas de número de rebote en aquellas moldeadas en acero grueso y delgado, más sin embargo, los moldeados en cartón dieron unos números de rebote altos. Esto se debió muy probablemente a que el cartón absorbió humedad del concreto fresco, reduciendo así la relación agua-cemento en la superficie, resultando así una resistencia mayor. Puesto que el martillo es un probador de resistencia superficial, es posible para tales casos que el mismo indique una resistencia alta que no existe en realidad. Por ello, se sugiere que si se utilizan moldes de cartón, estos habrán de utilizarse en campo y laboratorio.

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La carbonatación de la superficie del concreto La carbonatación en la superficie del concreto afecta significativamente los resultados de las pruebas con el martillo Schmidt. Los efectos de la carbonatación son más severos en concretos de mayor edad cuando su capa de carbonatación puede ser de sólo algunos milímetros de espesor y en casos extremos hasta de 20 mm. En tales condiciones, los números de rebote pueden ser hasta 50% más altos que aquellos obtenidos en una superficie sin carbonatar. Por ello, deberán de realizarse las correcciones necesarias que de otra manera se sobreestimará la resistencia. Correlación de resistencia a compresión y número de rebote Existe una correlación general entre la resistencia a compresión del concreto y el número de rebote del martillo Schmidt. Sin embargo existe un alto grado de desacuerdo entre varios investigadores referente a la relación en la precisión de la estimación de la resistencia de las lecturas de rebote y su correlación. Los coeficientes de variación de la resistencia a compresión para una amplia variedad de especímenes promedió 18.8% y excedió 30% para algunos grupos de especímenes. Las desviaciones tan grandes en la resistencia se pueden reducir por medio del desarrollo de curvas propias de correlación para el martillo. Por consenso, la precisión en la estimación de la resistencia a compresión en el concreto de especímenes de prueba, colados, curados y probados bajo condiciones de laboratorio por un martillo propiamente calibrado cae entre un 15 y un 20%. Sin embargo, la precisión probable en la estimación de la resistencia en una estructura será un 25%. El martillo de rebote desarrollado por Schmidt ofrece un método barato y rápido para ensayos no destructivos de concreto en el laboratorio y en campo. Habrá que reconocer y tomar en cuenta las limitaciones del martillo Schmidt. Se debe de considerar que el martillo no es un sustituto de de pruebas de compresión estándar, sino más bien un método para determinar la uniformidad del concreto en estructuras y comparar un concreto contra otro. La estimación de la resistencia del concreto por medio del martillo Schmidt con una precisión del 15 al 20% puede ser posible solo para probetas coladas, curadas y probadas bajo condiciones similares para aquellas de las cuales se establecen las curvas de correlación. La Norma ASTM C 805 “Standard Test Method for Rebound Number of Hardened Concrete” (Método Estándar de Prueba para el Número de Rebote del Concreto Endurecido) fue lanzada como un método de prueba tentativo en 1975 y se adoptó como método estándar en 1979. El método de prueba se ha revisado periódicamente. La versión de la norma se resume como sigue: 1. Este método de prueba se aplica para encontrar la uniformidad del concreto delineando regiones en una estructura de concreto de baja calidad o deteriorado y para la estimación del desarrollo de resistencia del concreto. 2. En el uso del método para estimar la resistencia se requiere establecer una relación entre la resistencia y el número de rebote. Esta relación se deberá establecer para una mezcla de concreto y un aparato dados. La relación deberá establecerse sobre un rango de resistencia de concreto que sea de interés. Para estimar la resistencia durante la construcción, establecer esta relación por medio de pruebas de rebote sobre probetas moldeadas y midiendo la resistencia de la misma. Para estimar la resistencia de una estructura existente, establecer la relación, correlacionado los números de rebote medidos en la estructura con las resistencias de corazones tomados de las zonas correspondientes. 3. Para una mezcla de concreto dada, el número de rebote se ve afectado por factores tales como el contenido de humedad en la superficie de prueba, el tipo de material de molde o tipo de acabado, y el espesor de la carbonatación. Se necesita tomar en cuenta estos factores para el desarrollo de la relación de resistencia y la interpretación de los resultados. 4. Aquellos martillos del mismo diseño nominal pueden dar números de rebote que difieran de 1 a 3 unidades. Por ello, las pruebas deberán hacerse con el mismo martillo para comparar resultados. Si se utiliza más de un martillo, desarrollar pruebas en un rango de superficies típicas para determinar la magnitud de las diferencias esperadas. 5. Este método de prueba, no pretende ser base para la aceptación o rechazo en un concreto debido a la incertidumbre que presenta en la estimación de la resistencia.

66

La correlación Rebote-Resistencia se visualiza en un diagrama de correlación como el mostrado en la Fig. 4.12. Fig. 4.12. Ejemplo de diagrama de correlación Rebote-Resistencia común del fabricante del aparato. 4.4.2. El Ensayo Windsor El Ensayo Windsor se basa en la resistencia a la penetración por medio de la determinación de la profundidad de penetración de pernos (barras de acero) en el concreto. La profundidad de penetración da una medida de la dureza que se puede relacionar con la resistencia del material. Entre 1964 y 1966 un aparato conocido como “Windsor” se utilizaba como ensayo de penetración del concreto, tanto en laboratorio como in situ. El aparato estimaba la calidad y resistencia a compresión del concreto in situ por medio de la medición de la profundidad de penetración de pernos impulsados por un fulminante percutido. El desarrollo de esta técnica fue llevada a cabo por el Port of New York Authority de Nueva York, y la Windsor Machinery Co. de Connecticut. Este desarrollo se relacionó ampliamente a los estudios llevados por Kopf. El ensayo Windsor, como el esclerometro, es un medidor de la dureza y sus inventores alegan que la penetración del perno no refleja exactamente un valor de resistencia a compresión preciso. Sin embargo, el ensayo sí se relaciona a alguna de las propiedades del concreto bajo la superficie y dentro de ciertos límites es posible el desarrollar una correlación empírica entre la resistencia a compresión y la penetración del perno. El ensayo Windsor consiste de una pistola (Fig. 4.13), pernos de acero aleado, fulminantes o cartuchos y un medidor de profundidad para medir la penetración de los pernos y otro equipo relacionado. Los pernos tienen una longitud de 79.5 mm, un extremo roscado de 7.9 mm de diámetro y en la otra parte un extremo liso de un diámetro de 6.3 mm con punta cónica (Fig.4.14). Estas dimensiones de pernos se pueden utilizar también en concretos ligeros. La parte roscada del perno se une a una cabeza lisa de 12.7 mm de diámetro y ajusta en el cañón de la pistola.

67

Fig. 4.13. Vista del equipo para el ensayo Windsor. A) Pistola, B) Perno para concreto de resistencia normal, C) Dispositivo de pistola y D) Medidor de profundidad calibrado. El perno se incrusta en el concreto activando la pistola cuyo fulminante desarrolla una energía de 800N-m. Para el ensayo de concretos de resistencia relativamente baja, la energía del fulminante se puede reducir aumentando la distancia del perno con el mismo en el cañón. Fig. 4.14. Vista del perno para uso en concreto de resistencia normal, antes y después de ensamblado. Procedimiento General para el Ensayo Windsor El método de ensayo es relativamente simple y se puede encontrar en el manual que ofrece el fabricante. La zona a ensayar deberá de tener un acabado suave hecho con llana metálica. Para ensayar estructuras con texturas gruesas, la superficie deberá de tallarse en el área del ensayo. Si se van a ensayar superficie planas, se utiliza un dispositivo triangular que dispone la separación entre ensayos de 178 mm en cada vértice. Las longitudes expuestas del perno en penetración se miden con un medidor de profundidad. El fabricante provee además un aparato mecánico de promedios para estimar la longitud expuesta de los tres pernos disparados en el triángulo. Este aparato consiste de dos platos triangulares. El plato de referencia de tres patas se desliza sobre los tres pernos y descansa sobre los tres pernos. La distancia entre los dos platos dando el promedio mecánico de las longitudes expuestas de los tres pernos se mide con un medidor de profundidad insertado en un agujero situado en el centro del plato superior. Para aquellos ensayos de estructuras curvas, se deberán de disparar tres pernos individualmente utilizando el dispositivo de pistola individual. En cualquier caso, el valor promedio de la superficie expuesta del perno, puede utilizarse entonces para estimar la resistencia a compresión del concreto.

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El fabricante del aparato del ensayo Windsor, ha publicado tablas que relacionan la longitud expuesta del perno con la resistencia a compresión del concreto. Para cada valor de longitud expuesta de perno, se dan diferentes valores de resistencia a compresión, dependiendo de la dureza del agregado cuando es medido con la escala de Mohs de dureza. Estas tablas dadas por el fabricante, están basadas en relaciones empíricas establecidas en su laboratorio. Sin embargo, algunos investigadores como Gaynor, Arni, Malhotra y algunos otros más, indican que las tablas dadas por el fabricante no siempre dan valores satisfactorios. Algunas veces, se sobreestima considerablemente la resistencia actual y en otras instancias, se subestima la resistencia. Es por tanto, una necesidad para cada usuario del ensayo el correlacionar los ensayos de prueba con el tipo de concreto que está siendo utilizado. Aunque se ha estandarizado el ensayo Windsor, la propia normativa no muestra un procedimiento para el desarrollo de la correlación. Un procedimiento práctico para el desarrollo de tal correlación, se muestra enseguida:

1. Preparar probetas cilíndricas de 150 300 mm o cubos de 150 mm complementando con losas

de 200 600 600 mm que cubran aquel rango de resistencias esperadas. 2. Ensayar tres probetas a compresión a la edad especificada. Probar con el disparo de tres pernos

sobre la superficie de la losa al menos 150 mm de separación y al menos 150 mm del borde (Fig. 4.15). Asegurarse de que al menos se pueda contar con tres resultados en el ensayo, medir la superficie expuesta de cada uno de ellos y promediar el valor de los tres.

3. Repetir este procedimiento para todos los especímenes de prueba. 4. Graficar la longitud expuesta del perno contra la resistencia a compresión y ajustar la línea o

curva por el método de los mínimos cuadrados. Se puede trazar también los niveles de confianza de un 95%. Estos límites describirán el intervalo dentro del cual la probabilidad de un resultado de una prueba cae en el 95%.

Fig. 4.15. Vista del Ensayo Windsor en operación con una losa de

600 600 200 mm para fines de correlación. En la Fig. 4.16 se muestra una curva de correlación típica con niveles de 95% de confianza para valores individuales. Las publicaciones hechas por algunos investigadores para concreto compuesto de grava caliza se muestran en la Fig. 4.17. Nótese que las diferentes correlaciones se han obtenido con concretos que tienen escalas de Mohs similares. No existe un análisis de un mecanismo de falla riguroso del ensayo Windsor que este disponible hoy día. Tal análisis no resulta fácil de llevarlo a cabo en vista de una combinación compleja de esfuerzos dinámicos desarrollados durante la penetración del perno y la naturaleza heterogénea del concreto. El ensayo involucra una dada energía cinética inicial del perno, la cual es absorbida durante la penetración en gran parte en el aplastamiento y fractura del concreto y en un grado menor en fricción entre el perno y el concreto.

69

Fig. 4.16. Relación entre la longitud de perno existente y la resistencia a compresión del concreto a 28 días. Fig. 4.17. Relación entre la longitud de perno existente y la resistencia a compresión del concreto a 28 días obtenida por diferentes investigadores. La penetración del perno causa que el concreto se fracture en forma cónica bajo la superficie con grietas que se propagan hasta la superficie (Fig. 4.18). Además la penetración en esta zona es en gran parte resistida por la compresión del material adyacente y se ha discutido que el ensayo Windsor mide la compresibilidad de un área localizada de concreto creando un bulbo compacto en la parte baja de la superficie. Además también se ha discutido que la energía que se requiere para romper los agregados es un porcentaje bajo de la energía total del perno disparado, y no se afecta considerablemente la profundidad de penetración; sin embargo estas discusiones no han podido comprobarse. Fig. 4.18. Falla típica del concreto maduro durante un ensayo.

70

Alcances y limitaciones del ensayo Windsor

El ensayo de penetración es un sistema simple de operar robusto que necesita poco mantenimiento, excepto para limpieza del cañón. En el campo, el ensayo Windsor ofrece las principales ventajas de velocidad y sencillez y solo una superficie del concreto para ensayar. Su correlación con la resistencia del concreto se afecta por un número relativamente pequeño de variables, lo cual representa una ventaja sobre algunos otros métodos de ensayo in situ. De las entre las limitaciones están los requerimientos de tamaño mínimo para el miembro de concreto que se va a ensayar. La distancia mínima aceptable de un punto de prueba es del orden de unos 150 a 200 mm desde el borde del especímen, mientras el espesor mínimo de los miembros es de aproximadamente tres veces la resistencia esperada de penetración. La distancia desde un punto donde se encuentre el refuerzo puede tener también un efecto en la profundidad de la penetración del perno, especialmente cuando la distancia es menor a unos 100 mm. La prueba se limita a un cierto rango de resistencias (menor a 40 N/mm

2) y el uso de dos diferentes

niveles de energía que existen para acomodar un gran rango de resistencias junto con una investigación que se practica, complica los procedimientos de la correlación del mismo. El ensayo Windsor se considera como no-destructivo por naturaleza, sin embargo parece no ser exactamente cierto. El ensayo deja un desorden menor en un área muy reducida con un agujero de 8 mm. Para el caso de concreto maduro, existe una región de forma cónica donde el concreto puede fracturarse enormemente pudiéndose extender a lo largo de la longitud de penetración. La penetración y la estimación de la resistencia a compresión La utilidad del ensayo Windsor es principalmente la capacidad de establecer una precisión bastante alta entre la penetración y la resistencia a compresión. Un factor que afecta la relación es la dureza del agregado grueso, que se toma en cuenta en las tablas de correlación dadas por el fabricante del equipo. Otros parámetros importantes que pudiesen afectar la precisión del ensayo son el grado de carbonatación y la edad del concreto. La carbonatación puede cambiar las características físicas y químicas del concreto en un cierto espesor de su superficie y puede tener una influencia importante en la profundidad de penetración del ensayo. Por otro lado, se ha encontrado que la edad del concreto afecta considerablemente la precisión de la predicción de la resistencia. En particular, para un concreto muy viejo, el ensayo puede indicar una resistencia más alta que la existente. Se ha llegado a comentar que los valores altos se pueden relacionar con el microagrietamiento entre los agregados y la pasta, la cual afecta la resistencia a compresión pero no la prueba de penetracion. De manera similar, la historia de los esfuerzos existentes del concreto se ha identificado como un factor potencial que afecta la relación entre el ensayo y la resistencia in situ. Esto se debe al agrietamiento por carga de servicio que afecta la resistencia del ensayo a compresión, pero que no afecta el ensayo de penetración. El comité ASTM C-9 inició el desarrollo de una normativa para el ensayo de la resistencia a la penetración en 1972 y se lanzó por primera vez un método de prueba tentativo en 1975. El método estándar designado como ASTM C 803 “Resistencia a la Penetración del Concreto Endurecido” (Penetration Resistance in Hardened Concrete) se lanzó después desde 1982. En 1990, se revisó el método. El contenido y uso de la versión 2003 del método de prueba es el siguiente:

1. Este método se aplica para cualificar la uniformidad del concreto y reconocer zonas de estructuras de concreto de calidad pobre o deteriorado.

2. Este método es aplicable para estimar la resistencia del lugar, tendiendo el hecho de que previamente se ha establecido una correlación experimentalmente entre la penetración y la resistencia del concreto. Dicha correlación se debe de establecer para un dado aparato de prueba, utilizando concreto similar de los mismos materiales y proporciones que la estructura.

3. Los pernos de acero se disparan por grandes energías dadas por el fulminante y éstos pueden penetrar algunas partículas del agregado. La resistencia a la penetración se afecta por la resistencia del concreto así como la naturaleza del agregado. Las agujas de acero son más

71

pequeñas en tamaño que los pernos y se disparan por una energía baja por medio de un resorte. Se tiene pensado que las agujas sólo debe de penetrar la fracción del mortero; por lo tanto, no se considera el resultado si el aguja hace contacto con algún agregado.

4. Los resultados físicos del ensayo sobre las superficies del concreto deberán de requerir su reparación en acabados arquitectónicos.

4.4.3. Método de Velocidad de Pulso Ultrasónico (PUNDIT) El método de la velocidad de pulso ultrasónico, PUNDIT (Portable Ultrasonic Non Destructive Digital Indicating Tester) es un método que se ha podido usar con éxito para evaluar la calidad del concreto hace ya más de 60 años. Este método puede utilizarse para detectar agrietamientos internos y otros defectos, así como los cambios en el concreto, tal como una deterioración debido a un ambiente químico agresivo o una congelación-descongelación. Además también es posible el utilizar el método en la estimación la resistencia del concreto en el lugar. El método de VPU es en el sentido estricto de la palabra un método no-destructivo, ya que la técnica utiliza ondas mecánicas, lo que resulta en no dañar el elemento de concreto ensayado, por lo que puede probarse una y otra vez, lo que resulta útil para el monitoreo del concreto resistiendo cambios internos estructurales. Bases históricas Se han propuesto muchos métodos de prueba para cuerpos de prueba en laboratorio utilizando métodos vibracionales al comienzo de 1930. En la Segunda Guerra Mundial se aceleraron las investigaciones de ensayos no destructivos por medio de métodos de propagación de ondas. El método de pulso ultrasónico comenzó en Canadá e Inglaterra casi al mismo tiempo. Desde 1960 los métodos de velocidad de pulso se han trasladado desde los laboratorios hasta los lugares de obra. Muchos países han adoptado Normas para medir la velocidad de pulso en concreto. Teoría de propagación de ondas Cuando la superficie de un medio sólido elástico se perturba por medio de una onda vibratoria o dinámica, se distinguen tres tipos de ondas mecánicas, llamadas también ondas de esfuerzo:

Ondas de compresión, llamadas también, ondas longitudinales u ondas P

Ondas de cortante, llamadas también, ondas transversales u ondas S

Ondas superficiales, llamadas también ondas Raleigh Las ondas a compresión se propagan a través del medio sólido de una forma análoga de que las ondas de sonido se propagan a través del aire. Cada tipo de onda se propaga a una velocidad característica. Para un determinado sólido, las ondas a compresión tienen la velocidad más alta y las ondas superficiales las más bajas. En el concreto, las velocidades de las ondas S y Raleigh son típicamente 60 y 55% respectivamente de la velocidad de la onda P. La velocidad en particular de una onda depende de las propiedades elásticas y la densidad del medio. Para un medio sólido, elástico y homogéneo la velocidad de la onda a compresión se denota por la siguiente Ec:

4.4

Donde:

ρ

KEV d

72

V=La velocidad de la onda a compresión

4.5

Ed=Módulo dinámico de elasticidad ρ=Densidad del concreto

ν=Relación de Poisson dinámico

El valor de K varía dentro de un rango de valores muy pequeño. Por ejemplo, cuando ν se incrementa de

0.15 a 0.25 (un 67% de incremento), el valor asociado de K se incrementa de 1.06 a 1.20 (12% de incremento). De esa manera, las variaciones en Ed y ρ tienen un efecto más significativo en V que las

variaciones en ν. Para el concreto, V varía de 3000 a 5000 m/seg.

La frecuencia f y la longitud de onda λ del movimiento de propagación de la onda se relaciona con la velocidad de propagación V=fλ. La frecuencia se reporta en unidades de Hertz (o ciclos por segundo) y la longitud de onda en unidades de distancia (p.ej. mm). En un determinado medio, el incremento en la frecuencia, gobierna la disminución en la longitud de onda y vice-versa. Cuando un pulso de una onda se afecta con una interface con un medio teniendo distintas propiedades de material, la porción de la energía de la onda es desviada en su trayectoria de la onda original por ejemplo, los vacíos, grietas y partículas de agregado en el concreto actúan en desviar una parte de la energía del pulso de la onda a compresión de la trayectoria original. La magnitud de esa desviación es intensa si la longitud de onda en propagación es del mismo tamaño, o más pequeña que el tamaño de la difuminación, que resulta en una atenuación rápida de la onda. Para el concreto, el límite superior de la frecuencia usada es de 500 kHz cuando su longitud de onda asociada es aproximadamente 10 mm, el cual está en el rango de tamaños del agregado grueso. Como resultado, la longitud de la trayectoria que puede cruzarse en este límite superior de frecuencias antes de que se difumine completamente es sólo algunos centímetros. Aquellas longitudes de trayectorias mayores se pueden cruzar utilizando frecuencias menores (longitudes de onda mayores): una frecuencia de 20 kHz puede cruzar hasta 10 m de concreto. En el método de la VPU se crea un pulso de onda ultrasónico en un punto de la superficie del cuerpo de prueba y se mide el tiempo de recorrido desde ese punto al otro. Conociendo la distancia entre dos puntos se puede determinar la velocidad del pulso de onda. Se dispone hoy día de un equipo portátil de pulso ultrasónico en el concreto para determinar el tiempo de llegada de la primer onda, que para muchas configuraciones de ensayo es la onda a compresión directa. Puesto que es la más rápida. Aparato de velocidad de pulso El aparato consiste de un medio que produzca e introduzca un pulso de onda en el concreto (generador y transmisor de pulso) y un medio sensible que registre la llegada de la onda de pulso (receptor) y la medición precisa del tiempo que se toma la onda para viajar a través del concreto. El equipo se puede conectar a un osciloscopio u otro aparato de pantalla para observar la naturaleza de la onda de pulso que se recibe. Un diagrama esquemático se muestra en la Fig. 4.19. Las unidades portátiles de ensayos ultrasónicos se comercializan por todo el mundo. El equipo es portátil, fácil de operar que puede incluir baterías recargables. Por lo general, en estos aparatos los tiempos de pulso son de hasta 6500 µseg y se pueden medir con una resolución hasta de 0.1 µseg. El aparato viene con un juego de dos transductores, uno para transmitir y el otro para recibir el pulso ultrasónico. Por lo general se utilizan transductores con frecuencias de 25 a 100 kHz para ensayar en concreto. Los juegos de transductores son disponibles para tener diferentes frecuencias para aplicaciones especiales: los transductores de alta frecuencia (encima de los 100 kHz) se utilizan para probetas de tamaño pequeño y en concretos de resistencia alta, mientras

)2)(1(1

1K

υυ

υ

73

que los transductores de alta frecuencia (debajo de los 25 kHz) se utilizan en probetas de mayor tamaño y concretos con agregado grueso grande. Estos transductores generan ondas a compresión a una frecuencia con mucha de la energía de onda dirigida a través del eje normal a la cara del transductor. Un aparato común de PUNDIT se muestra en la Fig. 4.20. Fig. 4.19. Diagrama esquemático del Método de VPU.

Fig. 4.20. Equipo de medición de la velocidad de pulso. La idea básica del método establece que la velocidad de un pulso de ondas a compresión a través de un medio depende de las propiedades elásticas y la densidad del medio. El transductor transmite una onda dentro del concreto y el transductor receptor a una distancia de separación, L del transmisor recibe el pulso a través del concreto en ese punto. La pantalla del aparato de VPU indica el tiempo, Δt de tránsito que le toma a la onda a compresión el viajar a través del concreto. La velocidad de pulso de la onda a compresión, V por lo tanto es:

4.6

El pulso a compresión que se transmite a través del concreto experimenta difusión en varias fronteras de agregado-mortero. En el tiempo en que el pulso alcanza al receptor se transforma en una onda compleja, la cual contiene múltiples ondas a compresión y cortante reflejadas. Las ondas a compresión son las que llegan primero al receptor. Para transmitir y recibir el pulso, los transductores deben de estar en contacto perfecto con la probeta. De otra manera, una bolsa de aire entre el transductor y la probeta puede introducir un error en el tiempo de

Δt

LV

74

tránsito. Este error se introduce porque sólo una pequeña porción de energía de la onda puede transmitirse a través del aire. Muchas sustancias fáciles de conseguir se pueden utilizar para eliminar las bolsas de aire actuando como material de contacto, como la vaselina que es la que mejor se desempeña, otros como la grasa, jabón líquido, etc. pueden dar buenos resultados. La capa del material de contacto debe ser lo más delgada posible. Mientras se aplica una presión constante a los transductores, se deben tomar repeticiones de lecturas en un mismo punto hasta obtenerse el valor mínimo de tiempo de tránsito de onda. Si la superficie del concreto es muy rugosa se debe usar una capa de material de contacto grueso. En algunos casos, la superficie rugosa puede pulirse mecánicamente o aplicar yeso, epoxy, etc. cuyo secado sea rápido que debe permitirse tenga un secado satisfactorio. Se puede utilizar también una varilla con un diámetro de punta de sólo 6 mm como receptor para recibir el pulso en superficies muy rugosas. Se debe enfatizar que esta varilla es solo para recibir la señal y una superficie lisa será siempre necesaria para el transmisor. La velocidad de pulso para el concreto ordinario es por lo general de 3700 a 4200 m/seg. Por lo tanto para una longitud de trayectoria de 300 mm el tiempo de tránsito es aproximadamente 70 a 85 µseg. Es obvio que el instrumento debe ser muy preciso en un tan corto tiempo de tránsito. Configuración posición de transductores Existen tres posibles configuraciones en la cual se pueden posicionar los transductores como se muestra en la Fig. 4.21. Estos son: a) Transmisión directa, b) Transmisión semi-directa y c) Transmisión indirecta. Fig. 4.21. Configuraciones de la medición en la medición de la VPU El método de transmisión directa es el más deseable y es el arreglo más satisfactorio debido a que la energía máxima del pulso se transmite y recibe con este arreglo. El método de transmisión semi-directa puede utilizarse relativamente con cierta satisfactoriedad, sin embargo se debe poner cuidado que los transductores no estén separados mucho, de otra forma, el pulso se puede atenuar y la señal no puede detectarse. Selección de transductores La mayoría de los transductores usados comúnmente tienen una frecuencia natural de 54 kHz, una

75

superficie de contacto de 50 mm de diámetro, necesitando de ciertas condiciones para un buen contacto. Sin embargo, existen transductores de punta de contacto no requiriendo tratamientos previos de superficie. Los factores más importantes que requerirían otro tipo de transductor sería la frecuencia por las dimensiones del cuerpo de prueba. Pueden surgir dificultades con pequeños elementos cuando el medio no se pudiera considerar efectivamente como infinito. Esto puede ocurrir cuando el ancho de la trayectoria sea menor que la longitud de onda, λ. Dado que λ=velocidad de pulso/frecuencia de la vibración, entonces que se deberían cumplir al menos las dimensiones laterales dadas en la Tabla 4.2.

Tabla 4.2. Trayectoria lateral mínima y tamaño máximo de agregado (mm)

Frecuencia de transductor, kHz Vc=3.8 km/seg Vc=4.6 km/seg

54 82 150

70 46 25

85 56 30

Calibración del equipo El indicador de tiempo debe ajustarse a cero antes de cada ensayo. La calibración se lleva cabo con una barra metálica calibrada a un tiempo de 25 μs. Se recomienda que la precisión del tiempo de tránsito sea revisado por un segundo especímen de referencia con un tiempo de tránsito de 100 μs. Utilidades del PUNDIT Capas de deterioro en el concreto El método indirecto o método de transmisión superficial es el menos satisfactorio porque la amplitud de la señal recibida es significativamente más baja que la recibida por el método de transmisión directa. Este método también es más propenso a errores por lo que es necesario un procedimiento especial para determinar la velocidad de pulso. Lo que se debe hacer es lo siguiente.

1. Se establece el punto de colocación del transmisor y el receptor se mueve a intervalos de distancia prefijados a través de una línea y se registra una serie de lecturas del tiempo de tránsito.

2. La distancia directa entre ambos transductores se plotea en el eje X y el tiempo del tránsito del pulso correspondiente se plotea en el eje Y (Fig. 4.22).

3. El inverso de la pendiente en esta curva es la velocidad de pulso a través de la línea 4. Cuando los dos transductores están muy cerca, la trayectoria más rápida es por la parte superior

de la capa y cuando se separan, la trayectoria más rápida es entre ambas capas. La velocidad de pulso en la capa superior V1 y en la capa inferior V2 se puede graficar para diferentes pendientes de las dos líneas rectas ajustadas a los datos (Fig. 4.22). La distancia X en la Fig. 4.22 en que ocurre el cambio en estas dos pendientes se mide y el espesor, h de la capa superior se estima por medio de la siguiente ecuación.

4.7

Este método es adecuado cuando la capa superior (capa de poca calidad) es distinta, y de espesor razonablemente uniforme y V2>V1.

Medición de la uniformidad del concreto Este es la aplicación más aprovechable del método in situ. Para la ubicación de puntos de prueba, se

12

12

VV

V-V

2

Xh

76

toman lecturas de una malla trazada en cuadriculado de hasta 1 m. los contornos resultantes de velocidades de pulso se muestran en la Fig. 4.23. Fig. 4.22. El uso del método superficial para determinar la profundidad de deterioración, h. Fig. 4.23. Contornos típicos de velocidad de pulso (km/seg). Para que se considere una buena calidad de construcción, en estructuras monolíticas de una sola unidad por puro peso del concreto, se sugieren valores de coeficientes de variación de velocidad de pulso de 1.5%; valores de 2.5% si se consideran algunas cargas externas y de algunas unidades y 6-9% en estructuras grandes. En el caso de que los resultados muestren defectos serios, se requeriría de una estimación de la resistencia del concreto por este mismo método con una calibración previa. Con esas condiciones, la relación f’c=KV

4 se ha encontrado satisfactoria para estimar los calores relativos en rangos pequeños de

resistencia. Si no es así, se pudiera emplear otro método no destructivo más adecuado. Detección de agrietamientos y huecos Dado que la onda no puede viajar por aire, la presencia de una grieta o hueco, incrementará la longitud de trayecto (puesto que rodea el defecto), incrementando la atenuación, teniendo por consecuencia un tiempo más largo de tránsito y la velocidad de pulso será menor que un material sano. Aunque no se puedan detectar huecos saturados de agua, se mostrará una reducción de velocidad.

77

La variación de la velocidad de pulso debido al error experimental es probablemente al menos 2%, a pesar de las variaciones de las propiedades del concreto por lo que el tamaño de un defecto debe ser de tal tamaño para causar una longitud de trayecto mayor que 2%. Entre mayor sea la longitud de trayecto, será más difícil detectar un defecto, pero el tamaño mínimo absoluto del defecto se ajustará por el diámetro del transductor usado. La estimación de la profundidad de grieta, h se puede obtener mediante el uso del arreglo indirecto de los transductores como se muestra en la Fig. 4.24. Fig. 4.24. Medición de profundidad de grieta. En este caso, donde los transductores son equidistantes desde una grieta a evaluar, si la velocidad del pulso a través del concreto sano con V (km/seg) es entonces:

V

hx2grietaentrerecorridodeTiempoT

V

2xgrietasinsuperficieenrecorridodeTiempoT

hx2grietaentretrayectodeLongitud

2xgrietasintrayectodeLongitud

22

c

s

22

Entonces, la profundidad de grieta h se puede calcular como:

4.8

Se reporta para la Ec. 4.8 una precisión de ±15% y este planteamiento debe modificarse en aplicaciones

de naturaleza diferente. La localización de zonas mal compactadas se puede determinar en mediciones directas con las lecturas tomadas sobre un mallado regular. Si el elemento a medir es de espesor constante, un mapa de contornos o tiempos de tránsito mostrarán la localización y magnitud de áreas de compactación pobre. Ensayos de calibración para la estimación del módulo dinámico de elasticidad

El problema básico, es que el concreto consiste de dos constituyentes, matriz y agregado, los cuales tienen diferentes propiedades elásticas y de resistencia. La relación entre la velocidad de pulso y el módulo de elasticidad elástico se muestra en la Fig. 4.25, que para muchos casos concretos compuestos de agregado natural tal precisión es de un 10%.

Ensayos de calibración para la resistencia a compresión Aunque es posible obtener correlaciones razonables con la resistencia a compresión, es necesario tener curvas de calibración, donde la mejor forma es utilizando corazones para establecer la curva de calibración.

1

T

Txh

2s

2c

78

Fig. 4.25. Velocidad de pulso vs. Módulo dinámico de elasticidad. Se propone que si existe una buena curva de calibración, es posible, con límites de confianza del 95% el

obtener una predicción de resistencia de ±20% en el punto de interés. También se esperarían variaciones

dentro del elemento de ±10 N/mm2 en una media de un nivel de 30 N/mm

2. La precisión disminuye a

niveles de resistencia mayores, donde resultados de estimaciones mayores a 40 N/mm2 deben tomarse con reserva. Se debe tomar en cuenta el contenido de humedad de la muestra y la evaluación in-situ, que pueden causar una subestimación de la resistencia del material, que puede ser sustancial. La relación entre el módulo de elasticidad dinámico y la resistencia no puede definirse simplemente considerando la fase individual de cada componente. Esto se debe a la forma del agregado, la eficiencia de la interface agregado/matriz y la variabilidad de la distribución de las partículas. El agregado puede variar en tipo, forma, tamaño y cantidad y el tipo de cemento, tipo de arena relación w/c y madurez son factores importantes que influencian la resistencia. Curvas típicas reportadas por varios autores se muestran en la Fig. 4.26. Aunque la relación precisa de la determinación de la resistencia a compresión es afectada por muchas variables, las curvas de calibración determinadas pueden tomar la forma de:

4.9

Donde: f’c=Resistencia equivalente e=Logaritmo base natural V=Velocidad del pulso A y B=Constantes De esa forma, un diagrama de la resistencia versus la velocidad de pulso es lineal para un concreto en particular. Factores de corrección en los resultados estimados Existen 3 factores de corrección de suma importancia en la interpretación de los resultados: temperatura, humedad y presencia de acero de refuerzo.

BVc Aef'

79

Fig. 4.26. Curvas típicas velocidad de pulso vs resistencia a compresión reportadas por varios autores. Temperatura La temperatura tiene una importante influencia en las velocidades de pulso. Si existe una temperatura extrema, se reflejará un posible microagrietamiento en temperaturas altas y un posible congelamiento dentro del concreto a temperaturas muy bajas. La Fig. 4.27 muestra la relación de corrección y la temperatura de exposición del espécimen. Fig. 4.27. Efecto de la temperatura. Humedad La velocidad de pulso en concreto saturado con agua puede ser hasta 5% mayor que el mismo concreto en condiciones secas. Se ha presentado un modelo que permite la calibración para una resistencia actual in situ obtenida de una correlación basada en especímenes de control estándar. La relación entre especímenes curados en diferentes condiciones está dado por:

4.10

Donde: f1=Es la resistencia del espécimen estándar saturado f2=Resistencia actual del concreto in situ V1=Velocidad de pulso del espécimen estándar saturado

)V(Vkff

flog 211

2

1

80

V2=Velocidad de pulso del concreto in situ k=Constante que refleja un control de compactación (0.015 para concreto normal estructural o 0.025 para concreto compactado pobremente) Presencia de refuerzo En pruebas de velocidad de pulso, se debe evitar todo refuerzo en lo posible, dada la incertidumbre por una alteración de los valores de la velocidad de pulso. La velocidad de pulso en un medio infinito es aproximadamente 6.0 km/seg, pero se puede ver reducido con el diámetro de varilla hasta en 5.0 km/seg en varillas de 9.5 mm en aire. El incremento aparente en la velocidad de pulso depende de la proximidad de las mediciones de varillas, su diámetro, número y orientación de éstas. Para fines prácticos, con velocidades de pulso de 4.0 km/seg o mayores, las varillas de 20 mm de diámetro corriendo transversalmente a la velocidad de pulso, no tendrían influencia importante, sin embrago, varillas de diámetro de 6 mm de diámetro corriendo paralelamente a la velocidad de pulso, tendrían un efecto significativo. Existen dos casos principales que se deben considerar: Eje de varillas paralelo a la velocidad del pulso Como se muestra en la Fig 4.28, la varilla es muy cercana a la trayectoria del pulso.

Fig. 4.28. Refuerzo paralelo a la trayectoria de onda. Se recomienda una relación de:

4.11

Donde, Vs=Velocidad de pulso en la varilla de acero Vc=Velocidad de pulso en el concreto Este efecto desaparece cuando:

4.12

Entonces, los efectos de la presencia del acero serán significativos cuando a/L<0.15en concreto de alta calidad, o a/L<0.25 en concreto de baja calidad. La dificultad de de aplicar la Ec. 4.13 estriba en conocer el valor de la velocidad del acero, Vs, , sin embargo, Vc, puede calcularse como sigue:

cs2

s2

sc VVpara

L)(TV4a

2aVV

cs

cs

VV

VV

2

1

L

a

81

4.13

Donde Vm es la velocidad de pulso aparente (L/T) en km/seg y k es el factor de corrección dado por:

4.14

Con:

4.15

El valor de γ se puede obtener de la Fig. 4.29, que ha sido ploteada para un rango de valores de Vc y diámetro de varilla para una frecuencia de 54 kHz. Esto puede sustituirse en la Ec. 4.13 o la Fig. 4.29 para obtener k para usarse en la Ec. 4.10. Fig. 4.29. Relación entre el diámetro de varilla y la velocidad de pulso en varilla paralela a la trayectoria del pulso. Estas ecuaciones son válidas solamente cuando el desplazamiento, a sea mayor que 2b. De otra forma, los pulsos es probable pasen por toda la longitud de la varilla, entonces:

4.16

Si la varilla está directamente alineada con los transductores, a=0, y el factor de corrección está dado por:

4.17

Donde Ls es la longitud de la varilla.

mc kVV

2γ1L

a2γk

s

c

V

Vγ

L

γbba2γk

22

γ)(1L

L-1k s

82

Como procedimiento iterativo puede ser necesario obtener una estimación factible de Vc. Estas estimaciones son precisas hasta en un ±30% si existe una buena adherencia y no existe agrietamiento en la zona de la varilla. Los factores de corrección en el caso de una varilla en línea con la trayectoria de pulso de los transductores se muestra en la Fig. 4.30 según criterios del RILEM y BS. Estas correcciones deben tratarse con cierto cuidado considerando el entorno del concreto en la varilla y configuraciones complejas de esta.

Fig. 4.30. Factores de corrección para varillas paralelas a la trayectoria del pulso (a>2b).

Eje de varillas perpendicular a la velocidad del pulso Para la situación mostrada en la Fig. 4.31a, si la longitud de la trayectoria a través de las secciones transversales de las varillas es Ls, el efecto posible máximo está dado por la Fig. 4.31b para diferentes diámetros de varilla y calidades de concretos, donde Vc es la velocidad real en el concreto. En este caso, al valor de γ se utiliza en la Ec. 3.17 para obtener el factor de corrección, k. el efecto de las varillas en la estimación del pulso es complejo y la velocidad efectiva en el acero es menor que aquella colocada paralelamente a la trayectoria del pulso.

Fig. 4.31. Refuerzo transversal a la trayectoria del pulso.

83

4.4.4. Método del Impact-Echo Primeramente desarrollado para concretos, el impacto-eco es una variación del método de transparencia de una onda mecánica que emplea un análisis basado en la frecuencia de los ecos de las ondas que se propagan dentro de un elemento para localizar discontinuidades internas. El Impact-Echo es atractivo porque solamente es requerido el acceso a la estructura por una cara. Las aplicaciones típicas son la determinación de espesores, de secciones transversales y localización de vacíos en construcciones. Principios básicos Cuando una onda de esfuerzo que está viajando a través de un material A incide con la interfase de un material B distinto, una parte de la onda incidente es reflejada. En los métodos asociados a la transmisión de una onda mecánica por el seno de un material es de especial importancia el denominado Principio de la impedancia acústica. La impedancia acústica es el producto de la velocidad de la onda en un material y la densidad del mismo. Dicho principio establece que la energía reflejada en una interfase será directamente proporcional a la diferencia entre las impedancias de los dos medios que forman la interfase. A su vez la amplitud de la reflexión es una función del ángulo de incidencia y es máxima cuando dicha incidencia es perpendicular a la interfase (ángulo de incidencia 90º, incidencia normal). En base al principio anterior, en un material heterogéneo, se producirá una difracción de la onda de llegada siempre que haya una discontinuidad del material, produciéndose una pérdida de velocidad respecto a la que se obtendría en un material homogéneo. De la misma forma cuando la onda encuentra una interfase con el aire, prácticamente la reflexión en la interfase es total. Esta es la causa por la que los métodos no destructivos basados en la propagación de una onda de tensión han demostrado ser satisfactorios para localizar defectos dentro de sólidos. Un transductor electromecánico (en general un impactador) es empleado para generar un pequeño pulso de ondas de tensión acústicas que se propagan dentro del objeto que está siendo inspeccionado (Fig. 4.32 y Fig. 4.33). La excitación superficial (generalmente un impacto) produce ondas P y ondas S que viajan hacia dentro de la placa y ondas R superficiales que se alejan del punto de impacto. Las ondas P y S son reflejadas por los defectos internos (dada la diferencia entre impedancias acústicas) ó por los contornos externos. Cuando las ondas reflejadas o ecos retornan a la superficie producen desplazamientos que son medidos por un transmisor receptor. Si el transductor está situado próximo al punto de impacto la respuesta está dominada por los ecos de las ondas P. Fig. 4.32. Método del Impact-Echo. Fig. 4.33. Aparato del Impact-Echo.

84

En los trabajos iniciales que se llevaron a cabo en base al método de Impact-Echo, fue empleado un análisis en el dominio del tiempo para medir el tiempo desde el comienzo del impacto hasta la llegada del eco de la onda P. El proceso consistía en calcular el tiempo consumido y requería destreza para identificar correctamente el tiempo de llegada de la onda P. Un desarrollo clave, que condujo al éxito del método de Impact- Echo, fue el emplear un análisis frecuencial en vez del análisis en el dominio del tiempo para registrar las ondas. La onda P producida por el impacto experimenta múltiples reflexiones entre la superficie de ensayo y la interfase reflectora. Cada vez que la onda P llega a la superficie de ensayo causa un desplazamiento característico. De esta forma la onda se caracteriza por una periodicidad que depende de la distancia de viaje, de ida y vuelta, de la onda P. Si el receptor está cerca del punto de impacto, la distancia de ida y vuelta recorrida por la onda es 2T, donde T es la distancia entre la superficie de ensayo y la interfase reflectora. El intervalo de tiempo entre llegadas sucesivas de las múltiples reflexiones de la onda P es la distancia recorrida dividida por la velocidad de la onda. La frecuencia, f, de llegada de la onda P es el inverso de dicho intervalo de tiempo y viene dada por la siguiente relación aproximada:

2T

βCf

pp 4.18

Donde: Cpp =Velocidad de la onda P a través del espesor de la placa T= Profundidad de la interfase reflectora β= Factor que tiene en cuenta la velocidad real de la onda, donde la velocidad de la onda es aproximadamente un 96% de la velocidad de la onda P, esto es, β = 0.96. La ecuación anterior es la relación básica para interpretar los resultados de los ensayos del Impact-Echo.

4.5. Métodos de Imagenología para Visualización Interna en Concreto y Acero

4.5.1. Termografía Infrarroja La radiación infrarroja es la región del espectro electromagnético entre la luz visible y las microondas, con un rango de longitudes de onda comprendido entre 0.75 y 10 μm. La termografía de infrarrojos es una herramienta para el análisis de temperaturas e imágenes que mediante visión térmica permiten detectar anomalías y diagnosticar acciones correctoras. El principio de la termografía se basa en que todo cuerpo a temperatura superior al cero absoluto (-273.15 ºC) emite radiación en forma de calor, con una distribución espectral en función de la temperatura, de la composición del cuerpo y de su emisividad. A temperatura ambiente, la radiación térmica esta situada en la banda del infrarrojo, por tanto, para su estudio será necesario el empleo de equipos termográficos que midan la intensidad de la radiación de los objetos y calculen así la temperatura de los mismos. Para el ensayo de termografía infrarroja es necesario la existencia de un gradiente térmico (generalmente diario y/o estacional) para inducir la respuesta térmica de las tomarán sobre edificios que estén calientes a temperaturas ambiente frías. En función del tipo de edificio las inspecciones se deben realizar en diferentes momentos del día: • En edificios con muros de carga ha de aplicarse preferentemente después de anochecer, ya que como tienen espesor considerable aumenta el volumen que puede almacenar calor, es por esto que al

85

anochecer es cuando los muros de carga emiten más radiación térmica, dado que por la falta de radiación solar se produce un descenso de las temperaturas más acusado del resto de elementos. • En edificios con estructuras internas ha de llevarse a cabo al amanecer, ya que el interior del edificio normalmente, al amanecer, está a mayor temperatura que el exterior, además el muro de fachada permanece todavía a baja temperatura lo que resulta en un mayor contraste de temperaturas. En el sector de la rehabilitación de estructuras, las aplicaciones más habituales son la localización de humedades (Fig. 4.34), la identificación de estructuras, la localización de huecos cegados, la identificación de grietas, el reconocimiento de zonas de acumulación de calor y de pérdidas del mismo, la localización de diferentes materiales, el análisis del estado de pinturas murales y del estado de conservación de materiales distintos. Fig. 4.34. Aplicación de termografía infrarroja en la Basilica di Santa Maria di Collemaggio L’Aquila.

4.5.2. Técnicas de Radar La técnica de radar es una aplicación en desarrollo, basada en el estudio de las reflexiones de ondas electromagnéticas (Fig. 4.30). Esta técnica se emplea para el estudio en estructuras verticales y horizontales de fábrica y concreto.

Fig. 4.35. Fundamento del ensayo.

Los aplicaciones más habituales en el sector de la rehabilitación son la localización de grandes vacíos e inclusiones de materiales diferentes (como acero, madera, etc.), la identificación del estado de conservación o daño de estructuras, la definición de la presencia y nivel de humedad, el control de la eficacia de reparación por técnicas de inyección y en fábricas, descubrir la morfología de la sección de muros de múltiples hojas de piedra y/o ladrillo.

86

Fundamentos

El método radar está basado en la propagación de impulsos electromagnéticos (con frecuencias de 100 MHz - 1 GHz) a través de un sólido por medio de una antena bipolar, la energía electromagnética se genera en una antena y posteriormente se recibe en otra. Los impulsos emitidos se reflejan en las interfaces de materiales con propiedades dieléctricas diferentes. Al igual que las ondas acústicas en sólidos, la longitud de onda electromagnética es inversamente proporcional a la frecuencia (a mayor frecuencia, menor longitud de onda y mayor poder resolutivo). A su vez las ondas de frecuencias más altas presentan gran atenuación de energía y por tanto limitan la profundidad de la inspección. Cuando las antenas emisoras y receptoras, las cuales normalmente se encuentran alojadas en una misma carcasa, se mueven a lo largo de la superficie objeto de ensayo se crean unas imágenes conocidas como radar-gramas (Fig. 4.36), que mediante una escala de intensidad de colores indica la posición de la antena en función del tiempo. La constante dieléctrica relativa de un material es un parámetro que representa la relación entre la velocidad de pulso electromagnética en el vacío y la velocidad a través del material examinado. Al igual que en los métodos acústicos regía el principio de la impedancia acústica, en las técnicas radar rige el “principio de dielectricidad electromagnética”, según el cuál la amplitud de energía electromagnética reflejada en una interfase existente entre dos materiales está directamente relacionada con la diferencia de las constantes dieléctricas relativas de los mismos.

Fig. 4.36. Ejemplo de radar-gramma.

Las ondas electromagnéticas son sensibles a interfaces con agua, mientras como ya se ha aludido las ondas acústicas lo eran a interfaces con aire, por ello que se muestren como dos métodos de inspección complementarios. En algunos casos, donde no es posible aplicar el método de radar (presencia de agua o metales), los métodos acústicos pueden ser la única solución, y viceversa, cuando la metodología acústica falla (gran presencia de huecos o grandes heterogeneidades) el radar puede detectar los elementos principales del objeto de estudio. El equipamiento básico para este ensayo consiste en un juego de varias antenas con frecuencias diferentes, un sistema de captación de datos (ordenador portátil) y un software para el tratamiento de datos. Un parámetro importante es la frecuencia de las antenas a emplear, pues de ella depende la resolución de la inspección, su capacidad de penetración y por ende el tamaño del elemento a investigar. Según consideraciones de casas comerciales y de expertos de reconocido prestigio, se deben emplear antenas con diferente frecuencia según el objetivo del ensayo, así en paredes de gran espesor o con alto

87

contenido de humedad hay que ir a frecuencias del orden de 500 MHz, mientras que para paredes de menor espesor, frecuencias de 1 GHz. La Tabla 4.3 presenta las frecuencias óptimas para empleo en edificación.

Tabla 4.3. Frecuencias óptimas para empleo en edificación.

Frecuencia de antena, MHz

Penetración, m

250 6.0

500 4.0

800 1.5 a 2.0

4.5.3. Técnicas tomográficas La imagen tomográfica es una técnica computacional que utiliza un método iterativo para el procesado de una gran cantidad de datos. Los datos de los ensayos ultrasónicos, sónicos o de radar pueden ser empleados como datos de entrada de un algoritmo de reconstrucción tomográfica para proporcionar una representación, bidimensional o tridimensional, de las propiedades internas de una determinada sección de un elemento. Por tanto la tomografía tiene la finalidad de reproducir la estructura interna de un objeto a partir de medidas recogidas desde su superficie externa. La precisión del ensayo depende del número de transductores empleados, por lo que deberían utilizarse ocho sensores como mínimo. Todos se conectan entre sí y la unidad central recoge los ecos recibidos por cada palpador al golpear sucesivamente cada una de las cabezas instaladas en cada sensor. Terminada la serie completa de golpes la unidad central procesa la información y asigna a cada punto de la sección del elemento de ensayo un color en función de la velocidad de transmisión de la onda que atraviese por ese punto. Las técnicas de análisis tomográfico envuelven un considerable esfuerzo para adquirir el extenso conjunto de datos requerido. Una distribución típica de las trayectorias de los rayos y la reconstrucción tomográfica de la velocidad se muestra en la Fig. 4.37 para un concreto reforzado con fibras. Fig. 4.37. Análisis tomográfico para un concreto con fibras.

88

Los procedimientos desarrollados para exploraciones geofísicas han sido adaptados para el empleo en fábricas, el enfoque ha mostrado una razonable aproximación del tamaño y extensión de las anomalías internas. Defectos internos como vacíos, grietas y deterioro pueden ser localizados y tallados mediante la imagen tomográfica.

4.6. Dispositivos para Medición de Desplazamientos y Esfuerzos 4.6.1. Introducción El análisis experimental es una herramienta muy popular en la ingeniería estructural. Las técnicas de análisis experimental pueden aplicarse desde el diseño, reproducidas por probetas en laboratorio y durante la vida útil de la estructura, cuyo análisis se lleva directamente en ésta. Dentro del amplio campo del análisis experimental, se pueden describir algunos medios o técnicas prácticos dentro de las cuales se encuentran los transductores basados en resistencia eléctrica por deformación. Por definición el transductor es un medio capaz de convertir una energía en otra. Por ejemplo, una batería es un transductor que convierte la energía química en eléctrica, como también un termómetro ordinario puede convertir la energía calorífica del mercurio en desplazamiento mecánico del mismo. El origen del transductor basado en resistencia eléctrica por deformación es vago. En 1800, Lord Kelvin demostró el cambio de resistencia inducida por deformación en cables eléctricos. En 1908, Lindeck de Charlottenburg en Alemania propuso lo que sería el primer transductor de presión trabajando con resistencias de precisión en forma de alambres finos envueltos en pequeños tubos de bronce. Hay una clase específica de transductores en la cual versa este artículo y serán aquellos que convierten una entrada de energía o trabajo mecánico en señales eléctricas de salida equivalentes. Este tipo de transductor electromecánico se localiza por lo general en la fuente de la energía o fuerza física y responde a su magnitud. La lectura de salida o instrumentación de control puede colocarse a una distancia conveniente desde el transductor conectado por cableado eléctrico. Ejemplos comunes de tales transductores se utilizan para medir presión de fluidos, peso, aceleración, desplazamiento, torque etc. La palabra célula ó celda (traducida del inglés cell) se refiere a todo transductor compacto, verbi gratia célula de carga, célula de presión, etc. Ciertas formas de transductores tienen sus propios nombres familiares los cuales se derivan del fenómeno físico que miden, como acelerómetro, extensómetro, vibrómetro, etc. 4.6.2. Deformación, esfuerzos y relación de Poisson Cuando un material recibe una fuerza, P, que dividida entre su área transversal, A, está sometido a un esfuerzo, σ. En proporción a este esfuerzo, la sección transversal se contrae por Δd y la longitud se alarga por ΔL (Fig. 4.38). Fig. 4.38. Ejemplo de barra en tensión. La relación del alargamiento, ΔL a su longitud original, L1 se llama deformación, ε y se expresa como:

89

4.19

Donde ε=Deformación mm/mm L1=Longitud original ΔL=Alargamiento Si el material recibe una fuerza de compresión, la deformación, ε será de signo negativo, que es afectado por ΔL de signo negativo. Si por ejemplo, una fuerza de tensión hace que un material de L1=100, se alargue o tenga un ΔL=0.01 mm, la deformación, ε sería: ΔL/L1=100mm/0.01mm=0.0001 mm/mm=100E-06 mm/mm. Así, la deformación se puede considerar un número absoluto y se puede expresar con un valor numérico más E-06 deformaciones, με (microdeformaciones) o μm/m (micrómetros por metro). La relación entre el esfuerzo y la deformación por una fuerza aplicada se basa en la Ley de Hooke:

4.20

Donde: σ=Esfuerzo=P/A E=Módulo de elasticidad El esfuerzo se obtiene multiplicando la deformación por el módulo de elasticidad. Cuando un material recibe una fuerza de tensión, se alarga en la dirección axial, mientras en su dirección transversal se contrae. El alargamiento en la dirección longitudinal se llama deformación longitudinal y en el sentido transversal se le llama deformación transversal. El valor absoluto de la relación entre la deformación

longitudinal y transversal se llama relación de Poisson, ν, la cual se expresa de la siguiente manera:

4.21

Donde:

εd=Deformación transversal

εL=Deformación longitudinal

La relación de Poisson depende del tipo de material. Por referencia, la Tabla 4.5 muestra las propiedades mecánicas de algunos materiales.

Tabla 4.4. Propiedades de algunos materiales.

Material Módulo de Young, E,

GPa

Módulo Cortante, G, GPa

Resistencia a tensión,

MPa

Relación de Poisson

Acero al Carbono (1-0.25%) 205 78 363-441

0.28-0.3 Acero al Carbono (> 0.25%) 206 79 417-569

Acero Niquelado 205 78 549-657

1L

ΔLε

εEσ

L

d

ε

εν

90

Acero vaciado 98 40 118-235 0.20-0.29

Latón 78 29 147 0.34

Aluminio 73 27 186-500 0.34

Concreto 20-29 9-13 (0.1-0.25)f’c 0.1

4.6.3. Principio de la banda o galga extensométrica (strain gauge) por resistencia eléctrica Cada material metálico tiene su resistencia eléctrica específica. Si se aplica una fuerza ya sea de tensión (alargamiento) se incrementa su resistencia eléctrica o compresión (contracción) se decrementa su resistencia eléctrica. Suponiendo que la resistencia original es R y un cambio de deformación en el material es ΔR. Entonces la siguiente relación se establece:

4.22

Donde: Ks=Es el factor de banda, el coeficiente que expresa la sensibilidad de la banda extensométrica. Las bandas extensométricas utilizan por lo general, aleaciones cobre-níquel o níquel-cromo elemento resistivo y el factor de banda de estas aleaciones es aproximadamente de 2. El Puente Wheatstone Por la razón de que el cambio de resistencia en un conductor es generalmente muy pequeña no se puede medir con precisión con un óhmetro común. El puente Wheatstone mostrado en la Fig. 4.39 es un circuito eléctrico muy básico que se emplea especialmente para medir cambios de resistencia extremadamente pequeños cuando ésta sufre una deformación por aplicaciones estáticas ó dinámicas. Fig. 4.39. Puente Wheatstone a voltaje constante. Considerando brevemente el principio de operación del puente Wheatstone en la Fig. 4.39, el voltaje cae a través de R1 y R4 denotado por VAB y VAD respectivamente se escriben las siguientes ecuaciones:

εKL

ΔLK

R

ΔRss

91

4.23

Donde V es el voltaje aplicado o de entrada a través del puente.

El voltaje de salida del puente, E, se representa por:

4.24

Resulta evidente que el voltaje de salida del puente es cero (se dice que en esta condición el puente está balanceado) cuando el termino R1R3-R2R4 es cero, o cuando:

R1R3=R2R4 4.25

La ecuación anterior representa una relación muy importante la cual indica que cualquier cambio de resistencia en una rama del puente puede balancearse por medio del ajuste de la(s) resistencia(s) en las otras ramas del puente. El principio del puente Wheatstone se emplea a todo tipo de transductores basados en resistencia por deformación. 4.6.4. Bandas extensométricas El término se traduce del inglés strain gauge o strain gage. Se emplean para la medición de fuerza física ó tensión para determinar el grado de deformación debido a la tensión mecánica en el cuerpo de prueba. Sus dimensiones van desde 2 hasta 120 mm de longitud. Por su naturaleza, en la mayoría de los casos se les utiliza en laboratorio por su poca durabilidad frente a los efectos del medio ambiente externo. Sus capacidades de medición de deformación van desde 0.15 a 5%. Son irrecuperables y se tienen los siguientes tipos:

Flexibles superficiales (Fig. 4.40). Están diseñadas para colocarse sobre la superficie de la probeta. La envoltura suele ser un poliéster u otro material que se adhiere por medio de un pegamento instantáneo. Se pueden colocar varias de estas para formar una roseta y medir deformaciones en varias direcciones.

Rígida embebida (Fig. 4.41). Su superficie es adecuada para adherirse por contacto desde el estado fresco en el concreto. Se le utiliza para caracterizaciones internas de la probeta.

Fig. 4.40. Banda extensométrica flexible

superficial.

Fig. 4.41. Banda extensométrica rígida

embebida.

VRR

RV,V

RR

RV

43

4AD

21

1AB

V)RR)(RR(

RRRRVVE

4321

4231ADAB

92

4.6.5. Transductores de desplazamiento Los transductores de desplazamiento o extensómetros (Fig. 4.42) se utilizan para medir varios tipos de desplazamiento en estructuras, tal como el seguimiento de grietas en estructuras y probetas. Se utilizan también ampliamente en pruebas de laboratorio para investigación. Este tipo de transductores está compuesto de varias minibandas extensométricas flexibles colocadas en la parte superior. Se coloca sobre la superficie del cuerpo de prueba. Es recuperable y se capacidad de medición es de hasta 5 hasta 100 mm de desplazamiento.

4.6.6. Células de carga Las células de carga (Fig. 4.43) se utilizan para convertir la fuerza ó carga a señales eléctricas. El elemento que determina la fuerza o carga es un grupo de minibandas extensométricas mediante la medición de la deformación del cuerpo de la célula de carga que es un metal que esta calibrado a dar cierta fuerza a determinada deformación impuesta. Se pueden encontrar de capacidades de carga desde 2 hasta de 10 MN.

Fig. 4.43. Tipos de células de carga. Dada la importancia que significa el análisis experimental en la caracterización del concreto tanto en campo como en laboratorio, la instrumentación por medio de transductores juegan un papel crucial para que este hecho se pueda llevar a cabo. De igual forma es importante la preparación y calibración que se

Fig. 4.42. Estensómetros de distintos tipos.

93

debe tener en cuenta del equipo y la buena elección de los transductores involucrados para cada necesidad.

4.7. Ensayos de Permeabilidad del Concreto La permeabilidad del concreto es importante cuando se trata de la durabilidad de concreto especialmente en aquellos utilizados en estructuras de retención de agua o subestructuras para el mismo fin. Las estructuras expuestas a condiciones ambientales adversas también requieren baja porosidad y permeabilidad. Tales elementos adversos pueden dar lugar a la degradación del concreto reforzado, por ejemplo, la corrosión del acero conduce a un aumento en el volumen del acero, agrietamiento y eventual astillamiento o delaminación. Las pruebas de permeabilidad miden con facilidad qué tipo de líquidos, iones y gases pueden penetrar en el concreto. Existen pruebas in situ para evaluar la facilidad con que agua, gases y materia perjudicial como los iones de cloruro pueden penetrar en el concreto. Procedimiento general para la prueba de permeabilidad Un examen exhaustivo de la amplia gama de métodos de ensayo se da en la Concrete Society Technical Report No. 31. Dos de los métodos más ampliamente establecidos son la Prueba Inicial de Absorción de Superficie (ISAT) y la Prueba de Permeabilidad de Aire Figg Modificada. El primero mide la facilidad de penetración de agua en la capa superficial del concreto mientras el último se puede utilizar para determinar el índice de absorción de agua, así como la penetración de aire en la capa superficial del concreto. Otra técnica recién desarrollada utiliza una modificación de la prueba de laboratorio para determinar la permeabilidad de iones cloruro. Todas las pruebas del sitio enfatizan la medición de la permeabilidad de la capa del concreto puesto que esta capa es vista como la más importante para la durabilidad del concreto. Equipo para la prueba de permeabilidad Prueba Inicial de Absorción de Superficie (ISAT) Para el ensayo ISAT se dan detalles en la Norma BS 1881:Parte 5, que estima la absorción de agua desde la superficie. En este método, una copa con una superficie mínima de 5000 mm

2 es sellada a la

superficie del concreto y se llena de agua. El índice en que el agua es absorbida por el concreto bajo una columna de presión de 200 mm se mide por el movimiento a lo largo de un tubo capilar adjunto a la copa. Cuando el agua entra en contacto con el concreto seco es absorbida por capilaridad inicialmente a un ritmo elevado. Esta es la base de absorción de superficie inicial, que se define como la velocidad del flujo de agua en el concreto por unidad de superficie en un intervalo indicado desde el inicio de la prueba en una columna constante aplicada a temperatura ambiente. Prueba de Permeabilidad de Aire Figg Modificada La prueba de permeabilidad Figg modificada puede utilizarse para determinar la permeabilidad de aire o el agua de la capa superficial del concreto. En ambos aire y agua, la permeabilidad se prueba en un agujero de 10 mm de diámetro perforado a 40 mm de profundidad normal a la superficie del concreto. Un tapón se inserta en este agujero para formar una cavidad hermética en el concreto. En la prueba de permeabilidad de aire, la presión en la cavidad se reduce a -55 kPa utilizando una bomba de vacío operada manualmente. El tiempo que tarda el aire en alcanzar los -50 kPa permeando a través del concreto se toma como una medida de la permeabilidad de aire del concreto. La permeabilidad de agua se mide a una columna de 100 mm con una cánula muy fina que pasa a través de una aguja hipodérmica para tocar la base de la cavidad. Se utiliza un conector bidireccional para conectarse a una jeringa y a un tubo capilar horizontal 100 mm por encima de la base de la cavidad. Se inyecta agua a través de la jeringa para reemplazar todo el aire y después de un minuto la jeringa es aislada con un menisco de agua en una posición adecuada. El tiempo para el menisco de moverse 50 mm se toma como una medida de la permeabilidad de agua del concreto.

94

Ensayo rápido de permeabilidad de iones cloruro

Este método fue originalmente diseñado para aplicaciones de laboratorio, pero se ha modificado para uso in situ. El procedimiento para la prueba de laboratorio se da en la AASHTO T277 y ASTM C1202. La técnica se basa en el principio de que iones cargados tal como los iones cloruro Cl

- se acelerarán en un

campo eléctrico hacia el polo de carga opuesta. Los iones llegarán a la velocidad terminal cuando la resistencia friccional del medio que lo rodea alcanza el equilibrio con la fuerza de aceleración. Esta es la base de "electroforesis", que se utiliza en muchos estudios químicos y biológicos. Una fuente de alimentación de CD se utiliza para aplicar una tensión constante entre la capa de cobre y el acero de refuerzo. Luego se mide el total de corriente que fluye entre la malla y la barra de refuerzo durante un período de seis horas. La carga eléctrica total (en Coulombs) se calcula y se puede relacionar con la permeabilidad de iones cloruro del concreto. Aplicaciones de la prueba de permeabilidad Los métodos descritos no miden la permeabilidad directamente pero determinan “un índice de permeabilidad”, que está relacionada estrechamente con el método de medición. En general, se debe seleccionar el método de ensayo apropiado para el mecanismo de permeación pertinente a los requisitos de rendimiento del concreto estudiado. Diversos mecanismos de permeabilidad existen dependiendo del medio de permeabilidad, que involucran los efectos de absorción y capilaridad, permeabilidad diferencial de presión y difusión de gases e iones. La mayoría de estos métodos miden la permeabilidad o porosidad de la capa superficial de concreto y no la permeabilidad intrínseca del núcleo de concreto. La piel o capa delgada del concreto ha sido conocida en que afecta considerablemente la durabilidad del concreto desde que el deterioro como la carbonatación y lixiviación comienzan desde la superficie del concreto. Esta capa proporciona así la primera defensa contra cualquier degradación. Las directrices sobre las diferentes categorías de permeabilidad se muestran en la Tabla 4.6.

Tabla 4.5. Directrices para las diferentes categorías de permeabilidad.

Métodos Unidades Absorción/Permeabilidad del Concreto

Bajo Medio Alto

ISAT

10 min

ml/m2/seg

< 0.25 0.25-0.50 > 0.50

30 min < 0.17 0.17-0.35 > 0.35

1 hr < 0.10 0.10-0.20 > 0.20

2 hr < 0.07 0.07-0.15 > 0.15

Figg, absrorción de agua, 50 mm (concreto seco)

seg > 200 100-200 < 100

Índice de permeabilidad de aire, Figg modificado

seg > 300 100-300 < 100

Alcance y limitaciones del ensayo de la permeabilidad Para el ensayo ISAT, las pruebas de secado en horno de en especímenes dan resultados razonablemente consistentes pero en otros casos los resultados son menos confiables. Esto puede resultar en un problema con concretos in situ. Se ha encontrado que la prueba es muy sensible a los cambios en la calidad y el correlacionar con observaron conducta meteorización. La principal aplicación

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es como una prueba de control de calidad para los prefabricados pero crece también en la aplicación a la evaluación de la durabilidad del concreto in situ. Las propiedades eléctricas del concreto y la presencia de campos eléctricos aislados afectan los resultados de la prueba rápida de permeabilidad de cloruros. Algunas mezclas de concretos que contienen materiales conductores por ejemplo, algunas combinaciones de cementos, en particular, escorias, pueden producir una permeabilidad de iones cloruro alta aunque tales concretos son conocidos por ser muy densos e impermeables. La prueba también se ve afectada por los incrementos de temperatura durante las mediciones. Sin embargo, se ha obtenido razonablemente una buena correlación entre esta técnica y la prueba de 90 días de la AASHTO T259 en el laboratorio.

4.8. Técnicas Electroquímicas para Estimar el Estado de Corrosión del Refuerzo 4.8.1. Medidas de Potencial de Media Celda Las medidas de potencial informan sobre la probabilidad de corrosión de la armadura de una estructura de concreto. Una guía referencial de las condiciones y riesgo asociadas a valores de potencial tomados mediante un electrodo de cobre sulfato de cobre Cu/CuSO4 son: potenciales menos negativos de -200 mV ofrecen un 90% de probabilidad de que no existe corrosión activa, potenciales más negativos de -350 mV indican una probabilidad del 90% de que se están presentando en el refuerzo fenómenos de corrosión y potenciales entre -200 y -350 mV indican que los procesos de corrosión son inciertos. La manera más simple de evaluar la severidad de la corrosión en el acero es medir el potencial de corrosión. La Fig. 4.44 ilustra los elementos esenciales para tal medida. El electrodo de referencia se conecta al punto positivo del voltímetro y el acero de refuerzo al negativo. Fig. 4.44. Electrodo, voltímetro y probeta para la toma de potenciales. Un indicativo de la probabilidad relativa de la actividad de corrosión se obtuvo empíricamente a través de medidas de potencial hechas durante los años setenta. La norma ASTM C876 mantiene las pautas generales para la evaluación de la corrosión en las estructuras de concreto. En la interpretación de los datos de potenciales de media celda se deben considerar factores como el contenido de oxígeno y la concentración de cloruro, así como también la resistencia eléctrica del concreto, factores que tienen una influencia significativa en las lecturas. La valoración de los potenciales se ha vuelto más complicada debido a los adelantos tecnológicos en el concreto y las tecnologías de la reparación, como las cubiertas de material densas y los selladores de concreto, así como también los inhibidores de corrosión, las mezclas químicas, y los sistemas de

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protecciones catódicas. Es importante entender y considerar que estos factores han complicado los estudios de potencial de media-celda y por tanto estos se deben complementar con otros estudios no destructivos. Algunos factores que interfieren con las lecturas de potencial son las siguientes: Concentración de oxígeno. La concentración de oxígeno en la interfase del acero de refuerzo y el concreto afecta las lecturas de potenciales de media celda significativamente. Una disminución en la concentración de oxígeno en la superficie del refuerzo de producirá una la lectura de potencial de corrosión más negativa. Una lectura de potencial negativa no necesariamente debe asociarse con una probabilidad alta de corrosión del acero. Carbonatación. La carbonatación del concreto (una reacción entre el anhídrido carbónico en la atmósfera y hidróxido de calcio en el concreto) reduce el valor del pH del acero de refuerzo en la interfase refuerzo/concreto y aumenta la corrosión de acero. En tal caso, la lectura de potencial de media celda cambiará hacia valores más negativos aunque este no sea muy grande. Sin embargo, incluso un cambio pequeño en los valores puede asociarse con un aumento grande en la proporción de corrosión. Concentración de Iones de cloruro. Un aumento en la concentración de iones de cloruro causara la corrosión del acero de manera significativa. La corrosión debida a cloruros esta asociada con un cambio significativo del potencial de corrosión hacia valores más negativos. Éste es un caso que la norma ASTM C876 predice bien. Uso de Inhibidores de Corrosión. Los efectos de los inhibidores de corrosión en la lecturas de potencial de media celda son más complicados porque estos químicos pueden modificar la el potencial de corrosión del acero de refuerzo. Como resultado, el cambio del potencial de corrosión o puede ser positivo o puede ser negativo, dependiendo si el inhibidor aplicado es anódico o catódico. Un inhibidor de corrosión anódico es un agente oxidante fuerte. Un ejemplo es el nitrato de calcio. El uso de este químico cambia el potencial de corrosión del acero a un valor más positivo y reduce significativamente la proporción de corrosión. En contraste con el inhibidor de corrosión de anódico, un inhibidor catódico causa que la lectura del potencial de corrosión cambie hacia un valor más negativo, con una reducción correspondiente en la severidad de la corrosión del acero. Existen también los llamados inhibidores de corrosión mixtos. Su influencia en el potencial de corrosión del acero podría estar en cualquier dirección. Recubrimiento denso de concreto. Una cubierta densa de concreto proporciona una barrera física buena que protege el acero de la corrosión debida a cloruros. También limita el proceso de difusión del oxígeno. La concentración de oxígeno en la interfaz acero/concreto podría ser muy baja y, como resultado, el potencial de corrosión podría cambiar a un valor más negativo, lo que no indica una probabilidad alta de corrosión del acero. Resistencia del concreto. Una resistencia alta puede introducir errores significativos en los datos de potenciales de media celda. Hay dos maneras de aumentar la exactitud de las medidas. La primera es disminuir la resistencia del concreto, por ejemplo, mojando la superficie. La segunda es usar un voltímetro con una resistencia interior alta (más grande que 20 MΩ). Posicionando el electrodo de referencia directamente sobre el refuerzo puede aumentar la precisión de la medida. 4.8.2. Medidas de velocidad de corrosión En la actualidad las herramientas más usadas para medir la corrosión son las técnicas electroquímicas. El desarrollo de los métodos electroquímicos para el estudio de la corrosión permite en periodos cortos cuantificar el deterioro de un elemento metálico. La detección temprana de la rotura de la pasividad de las armaduras embebidas dentro del concreto permite establecer indicadores de vida útil y ajustar las medidas para mantener, proteger y rehabilitar las estructuras de concreto armado.

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Desde sus inicios la ciencia de la corrosión se basó en la inspección visual de la sintomatología visible del deterioro o en la medición directa del deterioro por técnicas gravimétricas (medición directa de pérdida de peso). Estos procedimientos mostraron grandes problemas en relación a los exagerados tiempos necesarios para obtener respuesta. La necesidad de contar con datos cuantitativos sobre la resistencia a la corrosión, en periodos razonables de tiempo, dio lugar a los ensayos acelerados de corrosión: cámaras de niebla industrial, ensayos de inmersión en ácidos o soluciones salinas. En los últimos cuarenta años se ha progresado notablemente el desarrollo, puesta a punto y difusión de los método electroquímicos de estudio de la corrosión. Con estos métodos electroquímicos es posible estimar para ciertas condiciones la velocidad de corrosión y el deterioro de un elemento metálico. La Tabla 7.2 muestra las técnicas experimentales más usadas, definiendo además sus estajas y desventajas. La corrosión electroquímica genera en el ánodo y en el cátodo potenciales característicos diferentes, siendo el ánodo el electrodo de potencial más negativo y el cátodo el más noble o positivo. Ambos electrodos están en cortocircuito electrónico a través del metal. El circuito eléctrico se completa exteriormente, por conducción iónica a través del electrolito. La parte externa representa la resistencia total del circuito y es la que controla la corriente entre el ánodo y el cátodo.

Tabla 4.6. Técnicas experimentales de estudio de la corrosión.

Métodos Ventajas Desventajas

Medida directa

Gravimétricos Analíticos Volumétricos

Medida directa de la Corrosión No requieren especialización para su interpretación inmediata

Tiempos de exposición muy largos con resistencias a la corrosión elevadas Seguridad y reproducibilidad relativamente bajas

Ensayos acelerados

Niebla salina Niebla salina acética Atmósfera industrial Inmersión con cloruros Cámaras de carbonatación

Si se multiplica la agresividad de los ambientes naturales Son muy útiles a efectos comparativos, para seleccionar un material entre varios

Distorsionan o cambian completamente el mecanismo de corrosión Para cada situación específica el coeficiente de correlación puede tener límites amplísimos Son imposibles las estimaciones de durabilidad

Ensayos electroqímicos

Método de intersección Método de la resistencia a la polarización Curvas de polarización potenciales Técnicas de impedancia Métodos de impulsos Ruido electroquímico Métodos potenciodinámicos

Enorme sensibilidad en las medidas de potenciales y densidades de corriente Son muy rápidos y pueden dar información diferencial sobre las velocidades instantáneas de corrosión Se puede seguir la evolución de la corrosión en el tiempo

Perturbación del sistema por la polarización aplicada Estimación indirecta de la corrosión, necesitando un contraste y un conocimiento más o menos exacto del proceso estudiado para interpretar los resultados Todos son métodos aproximados, fiables si se aplican correctamente, pero no exactos

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Si se unen dos metales, cobre y zinc la cantidad de corriente que circula estará determinada por la resistencia del electrolito y por la diferencia de potencial de los electrodos. De acuerdo con la definición de oxidación y reducción, sobre el electrodo de cinc tendrá lugar una reacción de oxidación o corrosión y sobre el cobre otra de reducción con depósito de iones. Las reacciones de oxidación y reducción se designan como anódicas y catódicas respectivamente. Si se miden los potenciales de los electrodos de zinc y cobre respecto a sus soluciones se verá que son diferentes. El potencial del cinc será menos negativo y menos positivo el del cobre. La razón de esto es que cuando circula una corriente los electrodos se apartan del equilibrio, es decir se polarizan en una cantidad en mV equivalente al desplazamiento en potencial. Se llama velocidad o intensidad de corrosión, Icorr a la pérdida de metal por unidad de superficie y tiempo [g/cm

2día], aunque electroquímicamente se puede definir como [μA/cm

2] o [mm/año]. Steam y Geary

demostraron en 1957 que las curvas de polarización son prácticamente rectas en un pequeño incremento de potencial de corrosión y que su pendiente esta relacionada con la velocidad de corrosión:

pcorr

R

B

ΔE

ΔiI 4.26

Donde: B= Constante [mV] Rp= Resistencia a la polarización [Ω.cm

2]

Icorr=Velocidad de corrosión [μA/cm2]

Donde B es una constante que depende de las pendientes de las curvas de Tafel y varía entre 13 y 52 mV, mientras que a Rp se le denomina resistencia a la polarización (por tener dimensiones de resistencia) y da nombre al método. La técnica se basa en el supuesto que en una región de potencial libre la dependencia de la corriente al someter al sistema una pequeña excitación es aproximadamente lineal y la pendiente de esta respuesta es inversamente proporcional a la velocidad del proceso de corrosión. La Rp resulta de aplicar una pequeña perturbación a las armaduras y medir el cambio de potencial o intensidad que se produce. Estas perturbaciones no deben causar un cambio mayor de ±20 mV. Los valores obtenidos de μA/cm

2 se puede transformar en pérdida de espesor por unidad de tiempo de

acuerdo a la ley de Faraday:

corrI11.6año

μm 4.27

Gecor 8 Mediante la técnica de resistencia de polarización, es posible realizar una medida verdadera del ritmo de corrosión. El método comercial llamado Gecor 8 se muestra en la Fig. 4.45. Stem y Geary han establecido concretamente que la corriente de corrosión está relacionada linealmente con la resistencia de polarización. Con ello se tiene una medida cuantitativa directa de la cantidad de acero que se está convirtiendo en óxido en el momento de la medición. Mediante la ecuación de Faraday, esto se puede extrapolar a pérdida directa de sección de metal.

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Fig. 4.45. Sistema de medición de corrosión Gecor. 4.8.3. Resistividad eléctrica del concreto La resistividad se define como la resistencia eléctrica de un conductor de volumen unitario y area transversal constante en la cual la corriente esta continuamente y uniformemente distribuida. Puede ser interpretada como la resistencia eléctrica entre dos caras opuestas de un cubo de volumen unitario.

Estrictamente hablando, en la Fig. 4.46 se puede observar una caja construida con un material aislante

con dos placas conductivas rellenada de un material que se quiere estudiar. Si se aplica una diferencia de potencial (voltaje) y se mide la corriente producida, la resistividad puede ser calculada de la siguiente

ecuación:

m][ohmsL

RAρ 4.28

Siendo R=V/I [ohms] El inverso de la resistividad es la conductividad, que corresponde a una medida de la facilidad con que la corriente pasa a través de un material. Fig. 4.46. Principios de resistividad eléctrica. Dependiendo del tipo y de las características del material los valores de resistividad pueden variar de forma importante. Valores de 10

-6 ohms-cm pueden obtenerse para un material altamente conductivo

como la plata mientras valores de hasta 1019

para materiales aislantes como el caucho y algunos polímeros.

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La resistividad eléctrica del concreto es uno de los parámetros que controlan la velocidad de corrosión del acero embebido en el concreto. Su determinación de puede hacer de diferentes maneras de acuerdo a las condiciones del ensayo (laboratorio- in situ) y de las condiciones de la probeta. La resistividad puede ser medida mediante el uso de una corriente AC o DC. El uso de esta última en elementos de concreto genera la polarización del electrolito y la formación de oxigeno e hidrogeno en los electrodos. Algunos investigadores sugieren el uso de corrientes AC antes que DC debido a la importante influencia electroquímica de la última. Una de las técnicas más usadas para medir la resistividad del concreto es la de cuatro puntas o de Wenner planteada originalmente el uso para realizar evaluaciones en suelos. Cuatro contactos (electrodos) igualmente espaciados se colocan en contacto con la superficie del concreto. Una pequeña corriente alterna es conducida entre los contactos externos. La diferencia de potencial obtenida entre los electrodos internos es medida. La resistividad es medida mediante la siguiente ecuación y el montaje del ensayo se puede observar en la Fig. 4.47. Fig. 4.47. Diagrama de resistividad eléctrica del concreto.

I

V2πρ a 4.29

Donde: ρ = Resistividad eléctrica a = Separación de los electrodos V= Potencial entre los electrodos internos I= Pequeña AC corriente aplicada La deducción de la formulación presentada corresponde a un espacio seminfinito, condición que no se cumple pues en la realidad los ensayos se realizan sobre probetas cúbicas o cilindros. Los errores pueden ser debidos a los siguientes factores: • Geometría de la probeta • No homogeneidad del concreto • Deficiente contacto de las superficies • Capas o estratos de diferente resistividad • Presencia de acero de refuerzo • Cambios en las condiciones ambientales La segunda técnica usada para determinar la resistividad del concreto es la de dos pines. Este método esta basado en hacer pasar una corriente entre dos electrodos colocados sobre la superficie del concreto, midiendo el potencial entre ellos. Esta técnica es muy simple, pero se ha demostrado que presenta grandes limitaciones (Fig. 4.48).

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Fig. 4.48. Medidor de resistividad de cuatro puntas. Una de las desventajas es que la medición esta influenciada por el concreto en las proximidades del electrodo. Si el electro es sobrepuesto de una partícula de agregado los valores obtenidos son más altos que los reales. El radio de contacto del electrodo tiene una gran influencia en la lectura, un pequeño radio de contacto causará una alta resistividad, mientras que un gran radio causará el efecto contrario (Fig. 4.49). Fig. 4.49. Medidor de resistividad de dos puntas. De acuerdo al Manual de Inspección, Evaluación y Diagnóstico de Corrosión en Estructuras de Concreto Armado no existe un acuerdo de carácter general acerca del nivel límite de resistividad eléctrica por encima del cual el riesgo de corrosión de las armaduras puede ser evaluado (Tabla 4.7).

Tabla 4.7. Límite de resistividad eléctrica.

Resistividad, ρ Riesgo

Mayor a 200 kΩ cm Poco

200 a 10 kΩ cm Moderado

Mayor a 10 kΩ cm Alto