webinar “propiedades del hormigón fresco y endurecido ......difusividad dcl 10-12 m²/s...
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Métodos de medición de la "penetrabilidad" del hormigón, en laboratorio e “in situ”.
Roberto TorrentMaterials Advanced Services SRL
Buenos Aires, [email protected]
Webinar “Propiedades del Hormigón Fresco y Endurecido”, Abril 2020
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Objetivo
Describir en detalle los principales métodos de ensayo, de laboratorio e “in situ” para medir la “penetrabilidad” del recubrimiento
El tratamiento se circunscribirá a métodos cubiertos por Normas o Recomendaciones RILEM
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Contenido de la Presentación
1. Ensayos Normalizados y/o cubiertos por Recomendación de RILEM
a) Permeabilidad a los gases
b) Permeabilidad al agua
c) Succión Capilar
d) Difusión
e) Migración
2. Relaciones entre ensayos
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Métodos cubiertos por Normas o Recom. RILEMTransporte Estad
o
Duración 1
Ensayo
Método Uso Norma
Recomend. RILEM
Permeabilidad O2 Estac. 1-5 horas Cembureau Lab RILEM, UNE
PermeabilidadAire
Trans. < 12 min Torrent Lab/Situ SIA Suiza
PermeabilidadH2O
Trans. 4 días Penetración de Agua
Lab IRAM, EN
Succión Capilar Trans. 1-7 días Fagerlund Lab RILEM, IRAMSIA Suiza, ASTM
Succión Capilar Trans. 2 horas ISAT Lab/Situ BS
Difusión de Cl- Trans. 35-90 días PondingInmersión
Lab AASHTONT Build, ASTM
Migración de Cl- Trans. 6 horas Whiting Lab ASTM
Migración de Cl- Trans. 24 horas Tang y Nilsson
Lab NT BuildSIA Suiza
Resistividad (Migración)
Estac. < 5 min DirectoWenner
LabLab/Situ
ASTMAASHTO
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Permeabilidad al Oxígeno (Cembureau)
Q = Km
P2 – Pat2
2PatL
A
LA
P
6
Permeabilidad al Oxígeno (Cembureau)
Celdas de Ensayo
Botella de O2
Regulador de Presión
Caudalímetro de Burbuja
Entrada de aire comprimido
Tapa hermértica
P
Q
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Recomendaciones Prácticas:
Mejor testigos que probetas (efecto pared)
Medir al menos a 2 presiones (1 y 2.5 bar relativa), en general es suficiente, promediar ambos resultados
La permeabilidad a mayor presión debe ser menor
Obtener el promedio de dos probetas
Pretratamientos Recom. RILEM 116-PCD y UNE 83966 (poco práctico)
Holcim: 6 días a 50°C y 1 d. en desecador a 20°C
IETcc: secado 4 días expuestas a 50° + 3 días selladas a 50°C
Permeabilidad al Oxígeno (Cembureau)
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Permeabilidad al Aire: Método Torrent SIA 262/1:2019
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0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 5 10 15 20 25 30Tiempo (s) - Escala Raíz t
Pre
sió
n P
i (m
bar)
0 t0 = 60 tf = 720
Cierra V2
Abre / cierra V2
Cierra V2
Inicia ΔP
t=0; Pi~1000Cierra V1
tf = 360
ΔP
= 2
0
Evolución de la Presión en la Cámara Interna
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Aspecto Fundamental: Pe = Pi
i e
hormigón
100 mm
50 mm
e
Flujo controlado de airehacia la cámara interna
Celda de Vacíode doble cámara
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Cálculo de kT
kT =A
ln
2 ε Pa
Vc2
2
µ
Pa + ΔPieff (tf)Pa - ΔPieff (tf)
√ tf -√ to
• kT: coeficiente de permeabilidad al aire (m2)• Vc : volumen del sistema de la celda interna (m3)• A : área de la celda interna (m2)• µ : viscosidad del aire (= 2.0 10-5 N.s/m2)• ε : porosidad estimada del recucreto(= 0.15)• Pa : presión atmosférica (N/m2)• ∆Pieff: aumento efectivo de presión en la celda
interna al final del ensayo (N/m2)• tf : tiempo (s) al final del ensayo ( 2 a 12 ó 6 min)• to : tiempo (s) al inicio del ensayo (= 60 s)
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0.0001
0.001
0.01
0.1
1
10
100
0.01 0.1 1 10
kO (10 m²)
kT
(10 m
²)
Hc Lab
Hc Tunnel
Hc Bridge
IET PCD
Hc PCD
TFB LNEC
-16
-16
kT = 0.76 kO1.30
Permeabilidad a Gases: kT vs RILEM-Cembureau kO
(N=135; R²=0.87)
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Permeabilidad al Agua: Ensayo de Penetración de Agua (IRAM 1554; EN 12390-8)
Presión de Agua P
IRAM 1554 (ex DIN 1048)0-48 h: 0.1 MPa
48-72 h: 0.3 MPa72-96 h: 0.7 MPa
EN 12390-8 0-72h: 0.5 MPa
P
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Ensayo de Penetración de Agua (IRAM 1554; EN 12390-8)
x
Al finalizar el ensayo, se parte el cubo en dos (similar al ensayo brasileño) y se dibuja directamente sobre la probeta el contorno de la penetración de agua.
Se mide la penetración máxima xmax que, expresada en mm, es el resultado del ensayo. Se redondea al 1 mm más próximo (antes era a los 5 mm, que parece más razonable dada la heterogeneidad del material). En IRAM 1554 también se mideel xm promedio.
H-04: a/c= 0.4; f’c28 = 31.5 MPa
H-06: a/c= 0.6; f’c28 = 23.0 MPa
[Villagrán Zaccardi et al, 2016]
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Ensayo de Penetración de Agua (Clasificación NL)
Penetración xmax (mm) Calidad
< 30 Buena30-50 Moderada50-80 Mala> 80 Muy mala
CIRSOC 201 estipula xmax ≤ 50 mm y xm ≤ 30 mm para todoslos ambientes excepto A1. Es moderadamente exigente.
El código español EHE-08 estipula
xmax ≤ 50 mm y xm ≤ 30 mm para ambientes moderadamenteagresivos (p.ej. marino atmosférico o sumergido)
xmax ≤ 30 mm y xm ≤ 20 mm para ambientes muy agresivos(p.ej. zona entre mareas)
[Van Eijk, 2009; EHE-08, 2008]
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�� = ���
2. .
Cálculo de permeabilidad al agua y su aplicación
El resultado del ensayo de penetración de agua a presión x (m) permite calcular el coeficiente de permeabilidad al agua Kw (m/s), mediante,
[Valenta, 1970]
donde: � (-) = porosidad total; H (m) = presión de agua; t (s) = duración de la aplicación de la carga.
CASO REAL de aplicación de la fórmula (Consulta técnica fib):
El ensayo dió: x = 50 mm; P = 0.5 MPa ; t = 72 h; ¿cuánto tiempo tarda en entrar agua a una fundación cajón de espesor de pared e = 2 m, bajo una altura de agua de 10 m?. Una vez que empieza a entrar, ¿cuál sería el caudal de descargadentro del cajón para un área de 24 m² de pared?.Resultado: t = 6,6 años y Q= 365 lts/año (� = 0.10)
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Penetración de Agua a Presión vs. kT
0
25
50
75
100
125
150
0.001 0.01 0.1 1 10
kT (10-16
m²)
Max. P
en
etr
ati
on
(m
m)
CH (EN)
CH (DIN)
SP (EN)
AR (DIN)
UY (DIN)
NL (EN)
Baja Moderada AltaMuy bajaP
en
etr
ació
n M
ax. (m
m)
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St = ht / t0.5 at = ε δ St
ε : porosidad del hormigónδ : densidad del agua (kg/m
3)
at = coeficiente de succión capilar(g/m2/s0.5)
at = mt/A / t0.5
St = “sorptividad“ (mm/s0.5)
Succión Capilar. Normas Suiza SIA 262/1, Norma IRAM 1871
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Succión Capilar. Normas Suiza SIA 262/1, Norma IRAM 1871
Ventaja importante: se pueden medir varias probetas a la vez.
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Recomendaciones Prácticas:
Mejor testigos que probetas (efecto pared)
Medir a distintas edades, p-ej. 0.5, 1, 3 y 24 horas (3, 7 y 14 días si se desea mayor información)
Tapar el recipiente para mantener una atmósfera saturada alrededor de las probetas
Se puede o no sellar los laterales de las probetas (depende de las normas)
Obtener el promedio de dos probetas
Pretratamientos (secar a estufa a 50°C). Este es talón de Aquiles del método, muy sensible al secado.
Se puede hacer sobre la misma probeta, después de medir permeabilidad al gas (Cembureau y/o Torrent)
Succión Capilar. Normas Suiza SIA 262/1, Norma IRAM 1871
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Succión Capilar vs. kT (datos propios SIA 262/1)
0
5
10
15
20
25
0.001 0.01 0.1 1 10 100
kT (10-16
m²)
Su
cc
ión
a 2
4-h
(g
/m²/
s½
) Laboratorio
Túnel
Puente
Si bien elmétodo IRAM es diferente, elmismo límiteCIRSOC de 4.0para todas lasexposicionesparecedemasiadoexigente
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Succión de Agua: ISAT (B.S. 1881 : Part 5)Lab + “In Situ”
Problemas en la fijación de la celda, en laboratorio y aún másen obra. No aplicable a caras inferiores de losas
Tubo capilar graduadoReservorio
Rubinete
Celda
H°
200
mm
??
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Succión de Agua: ISAT (B.S. 1881 : Part 5)
ISA = 0.6 D / dt
donde:
ISA = Velocidad de succión de agua (ml/m²/s)
D = Número de unidades de escala cubierto por laretracción del menisco en el tiempo dt (s)
Absorción ISA (ml/m²/s)Tiempo desde el inicio del ensayo10 min 30 min 60 min 120 min
Alta
Moderada
Baja
> 0.50
0.25-0.50
< 0.25
> 0.35
0.17-0.35
< 0.17
> 0.20
0.10-0.20
< 0.10
> 0.15
0.07-0.15
< 0.07
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Difusión de Cloruros
Ø ≥ 75 mm
ASTM C1556
Ensayo
Descarte
Cara acabada
ASTM C1556: Test Method for Determining the Apparent Chloride Diffusion Coefficient of Cementitious Mixtures by Bulk Diffusion
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Medición del Coeficiente de Difusión a Cloruros
La probeta se mantiene en contacto con la solución mínimo 35 a 90 días. Luego se extraen testigos, se cortan en rodajas o se desgasta en una pulidora y se determina el contenido de cloruros en función de la profundidad.
Se ajusta la solución de la 2a
Ley de Fick a los resultados experimentales, obteniéndose Cs y D. (Life-365)
NaCl 165 g/L
ASTM C1556Cara acabada
o expuesta
El resto de la
probeta es
sellada
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Obtención de D por ajuste a solución a Fick 2a
Solución C(x,t) = Ci + (Cs – Ci) 1 – ferr
Cs = concentración superficial (supuesta constante en el tiempo)Ci = concentración original (contribución de los constituyentes del hormigón)ferr= función error; disponible en Excel modern
También se usa para analizar testigos extraidos de estructuras existentesexpuestas a cloruros.
2 . (D . t) ½x
Al perfil experimental C(x) para el tiempo t de inmersión, se le hace un ajuste matemático de la solución de la 2ª Ley de Fick, obteniéndose los valores de D y Cs (ver software gratuito Life-365)
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Aplicación de la 2ª Ley de Fick a ClorurosPerfil de Cloruros a los 90 días (AASHTO T 259)
Efecto de la f'cm28 y relación a/c del Hormigón
0 15 30 45 600
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Profundidad (mm)Clo
ruro
s (
% d
el
pe
so
de
Ce
me
nto
)
20 MPa
a/c= 0.60
38 MPa
a/c= 0.46
75 MPa
a/c= 0.32
D (10 m²/s)
20.9
8.4
4.2
-12
Umbral Depasivación
En ASTM C1556 se requieren análisis en muchás más capas más delgadas!!!. Es un método largo, laborioso y muy delicado!!!
DifusividadDCl
10-12 m²/sDespreciable < 2.5
Muy Baja 2.5 - 5.0Baja 5.0 - 10
Moderada 10 - 15Alta >15
[Gjørv, 2014]
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ASTM 1202:97 - Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration
Disco de hormigón (Ø100
x 50 mm)
Cl-
El resultado del ensayo es la carga eléctrica Q
(Coulombs) desplazadaluego de 6 horas de aplicación del voltaje
Electrodos de mallade bronce
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ASTM 1202:97 - Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration
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ASTM 1202:97 - Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration
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ASTM 1202 - Electrical Indication of Concrete’sAbility to Resist Chloride Ion Penetration
Es un ensayo bastante controvertido, aunque de uso muy difundido. Principales cuestionamientos: Antes de comenzar el ensayo, se genera un gradiente de
concentración de iones (especialmente OH-), por lo que se superpone difusión y migración.
La carga eléctrica medida es la contribución del desplazamiento de TODOS los iones y no sólo de los cloruros, con un papel primordial de los iones OH-.
Por ello, puede distorsionar la comparación de hormigoneshechos con distintos tipos de ligante
Además, para hormigones de baja calidad, la elevadacorriente que pasa genera un aumento considerable de temperatura del sistema, que distoriona los resultados
Problemas con Ca(NO2)2 o materiales conductores (acero)
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ASTM 1202:97 - Rating
Se puede estimar la difusividad a cloruros D como:D (10-12 m²/s) = 0.4 + 0.002 . Q (Coulomb)
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ASTM C1202 Coulombs vs. kT (varias fuentes)
100
1000
10000
100000
0.001 0.01 0.1 1 10 100
kT (10-16
m²)
Cl- M
igra
tio
n (
Co
ulo
mb
s) CH+PT
ES+CH
IL
IN
BR
US
BR
AR
IL
High (+ Very High)
Moderate
Low
Very
Low
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3% NaCl+ 0.2M KOH
0.2M KOH
-+
20 (a 40) V
Cl-
Disco de hormigón
(50x50 mm)
Este ensayo trata de superar algunos de los problemas del ASTM, esencialmente mediante la medición de la penetración real de cloruros en el hormigón xd.
NordTest NT BUILD 492:1999 y SIA 262/1:2003
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NordTest NT BUILD 492:1999 y SIA 262/1:2003
Después del ensayo (16 ó 24 h) se parte el disco mediante el ensayo brasileño y se aplica un reactivo a base de AgNO3 para revelar la zona de la probeta penetrada por los Cl- (xd).
Ahora es posible calcular el coeficiente de migración de cloruros DCl en función de xd según:
h= espesor del disco (m)T= temperatura media de ambas soluciones durante el ensayo (°C)U= valor medio del voltaje al inicio y al final del ensayo (V)t = duración del ensayo (s)
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Migración de Cloruros vs kT
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Resistividad Eléctrica: Directa vs Superficie
Placa metálica
SaturadaProbeta
de Área A y altura L
Esponja húmeda
Directa: ASTM C1760 Superficie o Wenner:AASHTO/UNE
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� = �
�
�[Ω.m / kΩ.cm]
Placa metálica
SaturadaProbeta
de Área A y altura L
Esponja húmeda
Resistividad Eléctrica: Método Directo
ASTM C1760
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Resistividad Eléctrica Superficial: Wenner
2 π a . V / iρ = (kΩ .cm)
K
K = factor geométricoCuerpo Semi-infinito: K = 1
a
V
i
AASHTO T358UNE 83988-2
40
d = 150 mm; L = 300 mm; a = 38 mm d/a=4; L/a=8 K = 1.4
Wenner Electrical Resistivity: K factor cylinder
[Morris et al, 1996]
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Relación ASTM C1202 vs. Resisitividad Wenner
1
10
100
100 1’000 10’000 100’000Coulombs
ρ(k
Ohm
-cm
)
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[Giatec,yyyy]
Factores que afectan la resistivida eléctrica del H°
Pro
xim
idad
del
ace
ro
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Difficultades para medir ρ Wenner ‘in-situ’
Infructuoso
Presuel-Moreno et al, 2010]
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Efecto de vecindad de barras de acero
d=25 mm
d=50 mm
d=75 mm
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Relación entre Propiedades que miden la “Penetrabilidad” del Recubrimiento del hormigón
Los mecanismos de transporte dependen en gran medida de la estructura de poros del hormigón, en particular de su volumen (ε) y tamaño (ro).
Por ello, es común encontrar buenas correlaciones entre los parámetros que definen los distintos mecanismos de transporte.
Esto abre la posibilidad de definir algunos parámetros de transporte, de fácil determinación, como indicadores globales de la “penetrabilidad“ del recubrimiento.
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Ensayos de Transporte
Algunos ensayos, tales como los de Difusión o Permeabilidad al agua, requieren largos períodos de medición, lo que los hace poco prácticos
Los ensayos de permeabilidad a los gases han ganadopopularidad respecto a los de permeabilidad al agua
Asimismo, el coeficiente de transporte D obtenido por Difusión (ensayos de larga duración) sería, en teoría, igual al de Migración (ensayos de corta duración)
Eso hace ganar popularidad a los ensayos de Migración, en particular al ASTM C1202 y al NT Build 429, así como a la resistividad eléctrica
Ganan importancia los métodos ND para medirparámetros de transporte “in situ”: p.ej. Permeabilidad al Aire
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1. Kropp, J. and Hilsdorf, H.K. (Eds.), “Performance criteria for concrete durability”, RILEM Report 12, TC 116-PCD (Permeability of Concrete as a Criterion of its Durability), E & FN Spon, London, 1995, 323 p.
2. Torrent R. and Fernández Luco L. (Eds.), “Non-Destructive Evaluation of the Concrete Cover”, RILEM Report 40, 2007.
3. RILEM TC116-PCD (Permeability of Concrete as a Criterion of its Durability), Recommendations, "Measurement of the Gas Permeability of Concrete by the RILEM-CEMBUREAU Method“ and “Determination of the Capillary Absorption of Water of Hardened Concrete”, Mater. & Struct., v. 32, April 1999, pp. 174-179.
4. RILEM TC 154-EMC, "Recommendation for the measurement of electrical resistivity", Mater. & Struct., v.33, Dec. 2000, pp. 603-611, (Section 6.6.2).
5. M. Romer, RILEM TC 189-NEC "Non-destructive evaluation of the concrete cover": Comparative test - Part I: Comparative test of 'penetrability' methods, Materials and Structures, v. 38, n. 284, Dec. 2005, pp. 895 - 906.
6. ASTM Standard C1202-97, "Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration".
7. Norma EN 12390-8, "Profundidad de penetración de agua bajo presión“, Versión Española, AENOR, 2001.
8. NT BUILD 492:1999, "Chloride diffusivity in hardened concrete", Nordtest, 1999.
9. British Standards Institution, "Methods of testing hardened concrete for other than strength", BS1881, Part 208, 1996.
10. Standard SIA 262/1: 2019, "Concrete Structures - Supplementary Specifications" describes in several Annexes some tests related to transport mechanisms in concrete:
Annex A: Water sorptivity
Annex B: Resistance to Chlorides
Annex E: On Site Air Permeability
Annex I: Accelerated Carbonation
Bibliografía
48
11. Villagrán Zaccardi, Y., Taus, V.L. y Di Maio, A.A., “Propiedades de transporte de hormigón con cementopuzolánico”, Ciencia y Tecnol. de los Mater., n6, 2016, 12 p.
12. EHE-08 (2008). "Instrucción de Hormigón Estructural". Spanish Concrete Code.
13. Van Eijk, R.J. (2009). "Evaluation of concrete quality with Permea-TORR, Wenner Probe and Water Penetration Test". KEMA Report, Arnhem, The Netherlands, 8 July 2009 (in Dutch), 48p.
14. Gjørv O.E. (2014). "Durability Design of Concrete Structures in Severe Environments", 2nd Ed., Taylor & Francis, UK, 254 p.
15. Morris W., Moreno E.I. and Sagüés A.A. (1996). "Practical evaluation of resistivity of concrete in test cylinders using a Wenner array probe“, Cem. & Concr. Res., v.26, n.12, pp. 1779-1787.
16. Giatec (yyyy) http://www.giatecscientific.com/knowledge-center/electrical-resistivity-of-concrete/
17. Presuel-Moreno, F.J., Suares, A. and Liu, Y.: "Characterization of new and old concrete structures using surface resistivity measurements", FDOT, Final Report, August 1, 2010, 279 p.
Bibliografía