La medición in situ de la permeabilidad al aire: una

TÓPICO – (Procedimientos de caracterización de materiales)
La medición in situ de la permeabilidad al aire: una herramienta
para el diagnóstico y el control de calidad de ejecución
Luis Fernández Luco1,a,Roberto Torrent2,b , Angel Castillo3,c
1
2
INTECIN – Facultad de Ingeniería – UBA – Av. Las Heras 2214 –(1127) C.A.B.A.
Materials Advanced Services S.R.L.– Av. Del Libertador 3590 8º “85” – (1425) C.A.B.A.
3
CISDEN – CSIC – Serrano Galvache 4, 28033 – Madrid - ESPAÑA
a
[email protected]
Palabras-clave:permeabilidad al aire, NDT, diagnóstico, hormigón, control de calidad
Resumen.
La medición in situ de la permeabilidad al aire es una técnica rápida,
completamente no destructiva y que provee información importante para
calificar la calidad de las capas superficiales del hormigón, típicamente, el
hormigón de recubrimiento.
La permeabilidad al aire del hormigón tiene relación directa con su
durabilidad potencial, pero también aporta información acerca de la calidad de
ejecución y la existencia de defectos no visibles.
En este trabajo se presentan diferentes casos de aplicación de la
medida de la permeablidad al aire en tareas de diagnóstico del estado de una
estructura o elemento: a) aplicaciones en pisos industriales, para la detección
de capas débiles y fisuras subparalelas b) la valoración de la homogeneidad en
la aplicación de un revestimiento c) la detección de juntas frías no visibles en
un estructura de gran volumen.
A partir de estos ejemplos, se muestra que la medición de la
permeabilidad al aire constituye una herramienta de diagnóstico y control de
ejecución de importancia creciente. Su característica de ser absolutamente no
destructiva y la rapidez de las medidas aportan un importante valor agregado,
sobre todo en tareas de verificación de la calidad de estructuras recuperadas.
Introducción
Las propuestas tradicionales, básicamente prescriptivas, que establecen
límites máximos para la relación a/c, contenidos mínimos de cemento y,
eventualmente, niveles mínimos de resistencia mecánica, han probado
nosereficaces para asegurar la durabilidad de las estructuras de hormigón
armado y pretensado.
Cinpar 2010 - www.cinpar2010.com.ar - [email protected]
Por este motivo, desde hace algunos años, se han desarrollado distintos
métodos y procedimientos de caracterización que valoran la calidad del
hormigón de recubrimiento, cuya importancia ya fue señalada por diferentes
investigadores, como Kreijger [1], Newman [2] y Meyer [3].Estos métodos se
apoyan, en general, en medidas de la capacidad de transporte de fluidos del
hormigón, entre los que se encuentra la permeabilidad a los gases.
La medida de la permeabilidad al aire del hormigón de recubrimiento
admite diferentes técnicas, y en ese sentido, se han desarrollado diferentes
equipos específicos. En este trabajo, nos referiremos específicamente al
empleo del Permeabilímetro de aire de doble cámara, conocido como método
“Torrent”.
Este equipo, que se describe en detalle en el apartado siguiente, se
emplea principalmente para la medición de la permeabilidad intrínseca al aire
del hormigón de recubrimiento (kT) y, de acuerdo con los resultados obtenidos,
se establece una valoración de la calidad del recubrimiento.
La permeabilidad al aire kT es muy sensible a la microestructura del
hormigón de recubrimiento, abarcando unos 6 órdenes de magnitud (0,001 a
100 10-16 m2). La Tabla I muestra la clasificación de la permeabilidad del
hormigón (con edades entre 28 y 180 días) en función de kT.
Tabla I – Clasificación de la permeabilidad del hormigón en función de kT
Clase
kT (10-16 m2)
Permeabilidad
PK1
< 0,01
Muy baja
PK2
0,01 – 0,1
Baja
PK3
0,1 – 1,0
Moderada
PK4
1,0 – 10,0
Alta
PK5
> 10
Muy alta
El método “Torrent” fue desarrollado principalmente para el control de
ejecución, es decir, para ser aplicado a estructuras nuevas; sin embargo, la
técnica puede aplicarse en estructuras ya construidas, para obtener
información sobre la calidad del hormigón de recubrimiento.
De manera complementaria, la técnica puede emplearse también como
elemento auxiliar de diagnóstico en distintas aplicaciones, y ese es
precisamente el objeto de este trabajo, que muestra tres casos de estudio:
a) identificación de fisuras no visibles, subparalelas a la superficie, en un
piso industrial
b) la valoración de la homogeneidad en la aplicación de un revestimiento
c) la identificación de juntas “frías” de hormigonado, en una pila de
puente.
Es importante destacar que las aplicaciones no tradicionales del equipo
no se agotan en las descriptas, sino que admiten una variedad y singularidad
Cinpar 2010 - www.cinpar2010.com.ar - [email protected]
que dependerán solamente de la habilidad del profesional para diseñar el
protocolo de medida y adecuar la interpretación de resultados.
Descripción del “Método Torrent”
La disposición del instrumental del aparato se esquematiza en la Fig. 1.
Sus dos características distintivas son:
a)
una celda con doble cámara, basada en el principio del anillo de
guarda. Consiste en una cámara interna i y una cámara externa e.
b)
un regulador de presión a membrana, cuya función es mantener a
ambas cámaras siempre a la misma presión (Pi = Pe).
La operación del aparato es como sigue: con las válvulas 1 y 2 abiertas,
se crea vacío en ambas cámaras mediante la bomba. Cuando la presión Pi
baja a ~30 mbar se cierra la válvula 2, momento a partir del cual la bomba solo
puede actuar (cuando se lo permite el regulador) sobre la cámara externa, de
manera de equilibrar en todo momento la presión en ambas cámaras. De este
modo, todo exceso de aire que ingrese lateralmente en la cámara externa será
evacuado por la cámara exterior. Así se logra que el flujo de aire hacia la
cámara central sea básicamente unidireccional (ver líneas de flujo en la Fig. 2)
y no afectado por el ingreso espurio de aire, sea por un deficiente sellado de la
cámara externa o a través de la más permeable 'piel' superficial.
La evolución de la presión Pi se mide a partir de los 60 s con un sensor
de presión comandado por un microprocesador que tiene integrado un
cronómetro. El microprocesador almacena la información y efectúa los cálculos
para mostrar automáticamente, al fin del ensayo, el valor del coeficiente de
permeabilidad al aire kT (m²). El fin del ensayo acontece cuando la elevación
de la presión en la cámara interna Pi alcanza 20 mbar o, en el caso de
hormigones muy impermeables cuando han transcurrido 720 s desde el
comienzo del ensayo. Así, dependiendo de la permeabilidad del hormigón, el
ensayo puede durar de 2 a 12 minutos. El microprocesador es capaz de
almacenar los datos de los ensayos y la información puede ser transferida a
una PC para su posterior análisis y registro.
La función de la válvula 1 es restablecer el sistema para un nuevo
ensayo ventilándolo con aire a la presión atmosférica.
Cinpar 2010 - www.cinpar2010.com.ar - [email protected]
Fig. 1 - Esquema y detalles del Método Torrent
Dado que en este método la geometría del problema está bien definida,
mediante un modelo teórico es posible calcular el coeficiente de permeabilidad,
tal como se describe en [4], aplicando la ecuación 1.
El conocimiento de kT permite estimar la profundidad de hormigón
afectada por el ensayo, que también es indicada por el equipo.
(1)
donde:
kT: coeficiente de permeabilidad al aire del recubrimiento [m2]
Vc: volumen de la cámara interior [m3]
A: área de la cámara interior [m2]
µ: viscosidad dinámica del aire [Ns/m2]
ε: porosidad del hormigón [-]
pa: presión atmosférica [N/m2]
po: presión en la cámara interior al inicio del ensayo to = 60 s [N/m2]
p: presión en la cámara interior al final del ensayo t (t ≤ 720 s) [N/m2]
Cinpar 2010 - www.cinpar2010.com.ar - [email protected]
Aplicación del Método a tareas de diagnósticode estructuras construidas
Si bien el “Método Torrent” ha sido desarrollado pensando en su
aplicación en función preventiva para el control de ejecución del de estructuras
(asegurar la vida útil de estructuras nuevas), se han reportado diversos casos
de aplicación en estructuras antiguas.
La Fig. 2 muestra datos comparativos de kT, medida directamente sobre
dos puentes suizos de 30 y 60 años y la profundidad de carbonatación medida
con solución alcohólica de fenolftaleína al 70% sobre testigos extraídos de los
mismos lugares[4].
Jacobs [5] condujo una investigación similar en otro puente suizo de 30
años donde, aparte de la carbonatación, se midió el contenido de cloruros a 25
mm de profundidad.
Estos estudios citados conservan el objetivo general de proceder a la
valoración de la durabilidad. Es objeto de este trabajo mostrar otras
aplicaciones de la medida de la permeabilidad de aire en estructuras
construidas que se orientan más a la detección no destructiva de defectos
(caso 1 y caso 2) o a la valoración de la eficacia de un revestimiento aplicado
(caso 3).
Fig. 2 – Valores de kT y profundidad de carbonatación en antiguos puentes
suizos
Cinpar 2010 - www.cinpar2010.com.ar - [email protected]
Caso 1: detección de fallos en la ejecución de un piso industrial
El uso de aditivos expansores para producir hormigones de retracción
compensada fue desarrollado en Argentina a través de un esfuerzo conjunto de
BAUTEC y el Instituto del Cemento Portland Argentino [6] [7]. Mediante esta
tecnología, es posible construir pisos industriales de excelente calidad, con
juntas separadas entre 30m y 40m.
En un caso particular, donde se aplicó un hormigón con resistencia
superior a 35 MPa y cuya capa de desgaste estaba constituida por una mezcla
de pasta de cemento y agregado de cuarzo, terminada con “helicópteros”
(power-floating), se observaron defectos en un sector parcial de una de las
losas, consistentes en la presencia de pequeñas fisuras y falta de adherencia
de la capa de terminación [8].
Para proceder a una reparación eficiente, fue preciso determinar la
extensión del fallo empleando algún método cuantitativo apropiado. Para ello,
se recurrió a la medida de la permeabilidad al aire de la zona defectuosa y de
zonas sin falla aparente. Asimismo, esta técnica se empleó para valorar la
eficacia de las tareas de reparación, una vez delimitada el área afectada.
La detección preliminar del área defectuosa fue realizada por la empresa
constructora, mediante golpes suaves de un martillo sobre la superficie, pero
se consideró necesario refinar estas medidas.
Para ello, se empleó la medida de la permeabilidad al aire, mediante un
permeabilímetro de doble celda (Torrent Permeabílity Tester). La Tabla 1
muestra los valores medios (obtenidas como la media geométrica) de la
medida de la permeabilidad en zonas dañadas y en zonas sanas.
Tabla 1: Permeabilidad al aire de superficie sana y dañada (valor medio)
kT (Air permeability)(x 10-16 m2)
Superficie sana
0,008
Superficie dañada
> 100
La existencia de fisuras subparalelas a la superficie, no visibles, se
confirmó mediante la extracción de testigos de la zona defectuosa y su
observación con lupa binocular, como se ilustra en la Fig. 3
Cinpar 2010 - www.cinpar2010.com.ar - [email protected]
Fig. 3: Fisuras subparalelas en zonas defectuosa.
Una vez delimitada la zona defectuosa, se procedió a su reparación y,
tal como se indicó, se procedió a medir la permeabilidad al aire como un
indicador de la eficacia de la reparación, tanto en la zona reparada como en la
interfase entre la reparación y el material sano. Los resultados obtenidos se
informan en Tabla 2.
Tabla 2: Permeabilidad al aire de zonas reparadas (valor medio)
kT (Air permeability)(x 10-16 m2)
Superficie sana
0,008
Superficie reparada
1,236
Interfase zona sana/reparada
7,50
Del análisis de los valores obtenidos de la medida de permeabilidad, es
posible concluir que se obtuvo buena adherencia entre la reparación y el
sustrato, aunque su calidad es inferior a la del hormigón del sustrato. La
interfase entre la zona reparada / sana parece ser la más débil, como es
previsible.
Pudo confirmarse la eficacia de la medida de la permeabilidad como
indicador indirecto de la adherencia y su utilidad, tanto para la identificación de
la zona defectuosa como para valorar la eficacia de la reparación.
Cinpar 2010 - www.cinpar2010.com.ar - [email protected]
Caso 2: Detección de juntas frías entre amasadas sucesivas
La estructura en estudio informada por Castillo [9] es una pila de un
puente de un viaducto, una estructura con forma de paralelepípedo de 35 m de
largo, 4,30 m de ancho y aproximadamente 2,5 m de altura, que sufrió una
interrupción no programada en la provisión del hormigón, lo que pudo haber
originado una junta fría. Una visión panorámica de la estructura se muestra en
la Fig. 4, mientras que la Fig. 5 ilustra el aspecto de las juntas de hormigonado.
Fig. 4: aspecto general de la estructura
Fig. 5: Aspecto de juntas frías asociadas a la demora entre hormigonados
sucesivos.
La valoración de la existencia de juntas se realizó mediante la medida
comparada de la permeabilidad al aire, medida en zona de juntas y en zonas
alejadas de la misma, complementadas con el análisis de testigos calados en
estas zonas.
Cinpar 2010 - www.cinpar2010.com.ar - [email protected]
La Tabla 3 ilustra valores de la permeabilidad al aire en zona de juntas y
fuera de la misma, medida con permeabilímetro de Torrent.
Tabla 3: permeabilidad al aire (kT) medida sobre la junta y fuera de la juntakT (10-16 m2)
Valores medios
individuales
Zona sin junta fría
Sobre Junta fría
0,534
45,33
0,162
64,45
0,805
19,3
0,284
100
2,896
kT medio (media
geométrica)
0,375
27,71
La medida de la permeabilidad al aire sobre la zona de juntas es
prácticamente dos órdenes de magnitud superior a la permeabilidad del
hormigón de la estructura medida fuera de la zona de juntas, lo que confirma
que la demora entre hormigonados sucesivos origina una zona débil, que debe
considerar en la valoración estructural y de durabilidad de la estructura.
Caso 3: Valoración de la eficacia de un revestimiento protector
El análisis comparado de los valores previos y posteriores a la aplicación
de un “coating” (revestimiento) protector sobre una superficie de hormigón
puede utilizarse para verificar la correcta aplicación del mismo, como también
la eficacia del revestimiento en proporcionar protección adicional. Ebensperger,
L. et al. [10] revisan diferentes aplicaciones de la técnica de medida de la
permeabilidad al aire por método de Torrent.
De ese trabajo, se reproduce la Fig. 6, según [11], que muestra los
contornos de valores de kT medidos en Japón sobre un muro de 6 años de
edad, con una cara tratada con un coating y la otra no. Los valores indicados
de la permeabilidad al aire corresponden a la media geométrica de los valores
obtenidos (kTgm).
Es interesante ver que los valores de kT en la cara tratada son un orden
de magnitud inferiores a los de la no tratada y mucho más uniformes, excepto
en zonas localizadas donde una inspección detallada reveló fallas en la
aplicación del recubrimiento.
Cinpar 2010 - www.cinpar2010.com.ar - [email protected]
a) cara tratada (kTgm= 0.43 10-16 m2)
b) cara no tratada (kTgm= 4.96 10-16 m2)
Fig. 6 –Contornos de valores de kT, medidos en dos caras de un muro de 6 años
Conclusiones
La técnica de la medida de la permeabilidad al aire puede utilizarse para
la detección de fallos y defectos en la ejecución del hormigón, de una manera
no destructiva.
La identificación de las zonas defectuosas permite la adopción de tareas
de reparación / mantenimiento de manera preventiva, previniendo o retardando
la ocurrencia de fenómenos patológicos en el futuro. Asimismo, puede
aplicarse para verificar la idoneidad de la reparación efectuada.
En numerosas circunstancias, la medida de la permeabilidad al aire
constituye un indicador cuantitativo de la presencia / ausencia del defecto, cuyo
valor documental como valor de referencia es incuestionable para definir el
problema.
El análisis de los valores de permeabilidad medidos debe realizarse de
manera comparada, adoptando referencias convenientes, usualmente de
zonas no comprometidas de la estructura y es esencial que su interpretación se
realice de manera apropiada.
Referencias
[1] P. C. Kreijger, "The skin of concrete. Composition and properties", Mater. &
Struct. 17(100) 275-283, (1984).
[2] Newman "Labcrete, realcrete and hypocrete. Where we can expect the next
major durability problems", ACI SP-100, v.2, 1259-1283,(1987)
Cinpar 2010 - www.cinpar2010.com.ar - [email protected]
[3] Meyer (1987)"The importance of the surface layer for the durability of
concrete structures", ACI SP-100, v.1, 49-61, (1987)
[4] Torrent, R. und Frenzer, G. "Methoden zur Messung und Beurteilung der
Kennwerte des Ueberdeckungsbetons auf der Baustelle - Teil 2", Office Fédéral
des Routes, Suisse, Rapport N° 516, Zürich, Oktober 1995, 106 p
[5] Jacobs“Beton zerstörungsfrei untersuchen“ (in German), der Bauingenieur,
n.3, pp. 24-27.
[6] Pombo, R., Torrent, R. & Fernández Luco, L “Large Slabs Floors with a New
Shrinkage Compensating Technology” 5th. International Colloquium on
Industrial Floors, Technische Akademie Esslingen, Ostfildern, Alemania, CD
edition (2003)
[7] L. Fernández Luco, R. Pombo, y R. Torrent, “Shrinkage Compensating
Concrete in Argentina”, American Concrete Institute - Concrete International,
pp. 49-53, (2003).
[8]L. Fernández Luco, R. Pombo “Innovative non-destructive assessment of
adherence failure of the top layer on an industrial floor”, International
Conference on Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofiting (ICCRRR 2006),
Ciudad del Cabo, Proceeding, Taylor and Francis Group, London, ISBN 0 415
39654 9 (2006)
[9] Castillo, A. – Informe (acceso restringido), Instituto de Ciencias de la
Construcción E. Torroja, CSIC – Spain (2008)
[10] L. Ebensperger y R. Torrent, “Medición “in situ” de la Permeabilidad al Aire
del Hormigón: Status Quo”, Proceeding Conpat 2009, Valparaíso, Chile (2009)
[11] Quoc P.H.D. and Kishi T. “Measurement of air permeation property of cover
concrete”, Proc. JSCE Annual Meeting, v. 61, Disk 2, 2 p.(2006)
Cinpar 2010 - www.cinpar2010.com.ar - [email protected]