desarrollo de infraestructura y metodología para

XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental
Cancún, México, 27 al 31 de octubre, 2002
DESARROLLO DE INFRAESTRUCTURA Y METODOLOGÍA PARA EVALUACIÓN DE
TUBOS DE CONCRETO
Rafael Gómez Mendoza*
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua
Ingeniero Químico, FQ UNAM, maestría en Química Analítica / Contaminación Ambiental en la
Universidad de Aberdeen UK. Integración y desarrollo de laboratorios de analíticos y de prueba,
especialista en Contaminación Atmosférica, evaluación de fuente fija, investigación en centrales
termoeléctricas. Actualmente, responsable del Laboratorio de Tecnología de Materiales (TECMAT)
en el desarrollo de sistemas de prueba de tubos de concreto y componentes de toma domiciliaria.
Marco Antonio Toledo Gutierrez
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua
.
Paseo Cuauhnáhuac 8532, Progreso, Jiutepec, Morelos, 62550 – México
Tel.: 01(777)329-3600 – Fax: 01(777)320-8725. e-mail: [email protected]
RESUMEN
Este trabajo tiene el objetivo de coadyuvar en minimizar el impacto sobre mantos acuíferos por falla de redes sanitarias
de drenaje a través del desarrollo de sistemas de prueba para evaluar la conformidad. Específicamente para llevar a cabo
la prueba de resistencia a la compresión de acuerdo con la normatividad vigente de tubos de concreto, éste trabajo
comprende el desarrollo de infraestructura y metodología, así como la implantación del método desarrollado hasta la
acreditación ante la entidad mexicana de acreditación (ema). Destaca el diseño de un sistema de cabeceo con mortero de
azufre-arena fundido para núcleos de concreto, con montaje cinemático construido en aleación integral de acero
inoxidable. Se evalúa la alternativa de probar núcleos de diámetros menores a 70 mm, para evaluación de la resistencia a
la compresión de tubos con refuerzo de acero para evaluar el cumplimiento de la conformidad.
Palabras Clave: Resistencia a la compresión, prueba de concreto, cabeceo de especímenes de concreto
INTRODUCCION
La evaluación de la conformidad de tubos de concreto establecida en la Norma Mexicana NMX-C-401-1996-ONNCCE
implica diversas pruebas entre las que figura la prueba de resistencia a la compresión con base a la Norma Mexicana
NMX C-83. Para efectuar esta prueba, comúnmente se toma una muestra del mismo concreto que se emplea para la
fabricación de los tubos; sin embargo, la evaluación real de tubos de concreto, implica someter a prueba el material que
constituye al tubo y no solo al concreto que se empleó para fabricarlos. Para la evaluación del concreto debe
considerarse que es una mezcla heterogénea de cemento y agregados, como aditivos, agua, grava y arena; materiales con
distribución espacial y tamaño de partícula variable aleatoriamente y altamente dependiente del proceso de moldeo,
compactación y fraguado.
En el primer caso, se toman muestras del lote de concreto empleado para la fabricación de tubos en un molde específico,
con dimensiones típicas de 150 mm de diámetro x 300 mm de altura, sometidos a un proceso de curado; preparados
conforme al protocolo de ensayo2. Este proceso de obtención de especímenes se realiza bajo condiciones controladas,
muy diversas al proceso de fabricación del tubo. Debido a ello el espécimen no es representativo y presentará una
resistencia superior a especímenes del mismo concreto bajo las condiciones de fabricación, que difícilmente tendrían un
control como el de la preparación del espécimen.
Por ello surge la necesidad de extraer un núcleo del tubo, obtener un espécimen que posea las características del
concreto que constituye realmente al tubo. Esta evaluación involucra el soporte de un laboratorio con la infraestructura
que permita la realización de la prueba en forma confiable; no obstante, la infraestructura disponible para pruebas de
compresión se limita a especímenes convencionales.
METODOLOGÍA
Inicialmente se efectuó una revisión de normas nacionales e internacionales para la evaluación de la resistencia a la
compresión de especímenes de concreto; encontrándose además que la infraestructura comercial ésta orientada a prueba
de especímenes de 150 mm de diámetro x 300 mm de altura. Con base en ello se identificó y estableció la infraestructura
necesaria, lo que implicó el desarrolle de dispositivos y equipos para el desarrollo de la prueba en cuestión con estricto
apego a la norma; para evaluar su comportamiento y contribuir a minimizar el impacto de la contaminación de mantos
acuíferos al emplearse para redes de drenaje.
De diseño un sistema de cabeceo para núcleos de diversos diámetros con montaje cinemático, seleccionando lo
materiales óptimos. Cada etapa de desarrollo se evaluó individualmente hasta obtener la repetibilidad requerida.
Se seleccionaron y probaron los equipos asociados, como extractor de núcleos, prensas oleodinámicas, sistemas de
curado, preparación acondicionamiento de especímenes de prueba; así como la calibración de los instrumentos
requeridos.
DESARROLLO Y RESULTADOS
El desarrollo de las pruebas y dispositivos se efectuó en Laboratorio de Tecnología de Materiales, integrando y
adaptando la infraestructura necesaria para el desarrollo de las pruebas bajo diferentes condiciones.
Se estableció un programa de pruebas, y se sometieron a prueba cientos de especímenes de diversos tipos de tubos de
concreto.
Este aspecto es altamente trascendente, considerando que los métodos típicos de fabricación de tubos producen
concretos heterogéneos, debido a ineficacia en procesos de compactación; en particular en la fabricación por vibración;
presentando fisuras, canalizaciones y porosidad debida a aire o agua ocluidos, falta de adherencia al acero de refuerzo en
su caso, segregación de agregados por gravedad ó proceso de mezclado, grado de homogeneización, etc. Resultando en
consecuencia en un concreto con menor resistencia a la compresión del concreto compactado bajo condiciones ideales.
Núcleos con la naturaleza real inherente al material y proceso de fabricación que constituye al producto tal como fue
fabricado. Extracción conforme a las especificaciones establecidas en la norma3,4, para lograr la calidad del espécimen y
dimensiones e.g. relación altura/diámetro; requiriendo de muestras representativas provenientes en diferentes zonas del
tubo. Estos especímenes deben y libre de acero de refuerzo en su caso.
Este equipo se diseño específicamente para el proceso de preparación de especímenes de prueba del Procedimiento para
la Determinación de Resistencia a la Compresión PRO125-1.0, del laboratorio acreditado de la Subcoordinación de
Calidad e Hidráulica Industrial5.
Proceso de cabeceo La mezcla azufre-arena para cabeceo de especímenes permite homogeneizar la superficie de las
caras, así como la transmisión uniforme de la carga durante la prueba6. Conforme a la normatividad, el mortero debe
poseer una resistencia a la compresión de Resistencia 34.32 MPa (350 kg/cm2), por lo que se empleó una relación
azufre/arena 60-40% y un tamaño de partícula malla Nº 10.
La determinación de tamaño de partícula de azufre granulado se obtuvo a 45 µm (malla Nº 325), debido a que el azufre
se apelmaza a un tamaño menor, por lo que se requiere emplear un tamiz húmedo7. La calidad del azufre se verificó
encontrando composición del % en la determinación de materiales combustibles en 25 g calcinando en crisol @ 873-923
K (600º-650ºC) por 30 min.
Este proceso requirió desarrollar una técnica que implica la fusión de la mezcla azufre-arena para su manejo y
adherencia en la superficie de las caras del espécimen, 428 K. La temperatura de fusión adecuada se estableció con base
en la experimentación para el manejo óptimo
BASES DE DISEÑO
El diseño del sistema de cabeceo comprende dos aspectos importantes, el dispositivo y el material de construcción
adecuado a la función requerida8. El proceso de cabeceo consiste en recubrir ambas caras de un núcleo cilíndrico con
mortero de azufre-arena con un espesor y planaridad controlados, paralelas entre sí, además de ser ortogonales al eje del
cilindro. La platina consiste en una placa rectificada pulida sobre la que se vierte el mortero de azufre-arena fundido; con
una planaridad de 0.050 mm ó 50 µm (0.002 pulg) en cualquier dirección de 152.4 mm (6 pulg/15 cm). Así como poseer
estabilidad dimensional, aún al someterse a procesos de calentamiento y enfriamiento repetidos.
La estabilidad dimensional se logró además de las características del material de construcción al emplear un espesor
superior al especificado en la norma; 18 mm; contra 10 – 13 mm. Como resultado de evaluar otros materiales y
espesores inferiores.
Para satisfacer la normatividad, la platina se fabricó de una placa de acero inoxidable 304 y se rectificó con piedra Nº
120, para aleaciones duras. La superficie rectificada alcanzó una planaridad superior a la exigida por la norma < 0.05
mm (50µm).
Conforme a la norma el diámetro óptimo deberá ser: φplatina > 5 mm del φespécimen. El anillo de retención se fabricó
permitiendo una holgura mayor a 5 mm, biselado a 30 º y pulido a espejo; 2.3 y 2.8 mm de radio para cada anillo. La
alineación sobre el plano de la platina debe ser ortogonal al eje del núcleo cilíndrico, con una precisión <0.5º , 3 mm en
300 mm. Además de una ubicación <2 mm entre el centro del espécimen vs centro plato Para este alineamiento
perpendicular se diseñó un sistema cinemático consistente en dos pilares cercanos al anillo de retención provistos de
cuatro postes horizontales. Estos postes se ubicaron por pares a un 30 y 70 % de la altura y en sector menor de 70º. Una
vez alineado un espécimen, con ayuda de una escuadra de precisión, se fijan los cuatro postes hasta tocar las paredes del
núcleo cilíndrico. En esta forma el sistema permitirá alinear un espécimen al apoyarlo contra los cuatro topes, lo que
permitirá únicamente un desplazamiento vertical del espécimen, manteniendo el eje ortogonal sobre la platina.
El material seleccionado para el prototipo del sistema de cabeceo fue acero inoxidable 304 y 316, resistente a la
corrosión a la temperatura de operación; ydureza Rockwell mayor a C-55. El empleo de acero inoxidable permite por su
conductividad térmica, entre 18.7 y 14.9 x 10-6 m/m/K disponer del tiempo suficiente para alinear el espécimen.
Manteniendo fundido el azufre del mortero por un lapso de al menos 10 s.
EXTRACCIÓN DE NÚCLEOS
La extracción de núcleos9,10 se efectuó con un sistema de extracción empleando brocas de carburo de tungsteno de 3.9
cm de diámetro con 6 dientes con un ancho de 3 mm y 6.5 de diámetro con 7 dientes con un ancho de 4 mm.
Proporcionando especímenes con un diámetro nominal de 38 mm y 64 mm. La ortogonalidad de las caras obtenidas con
respecto al eje del núcleo, fue menor a 0.5º, 3 mm en 300 mm. Una vez obtenidos los especímenes se mantuvieron
totalmente inmersos en agua saturada cal (hidróxido de calcio Ca(OH)2), a una temperatura de 296 K ±2 K ( 23 ±2ºC),
por un mínimo de 40 h antes de someterse a la aplicación de la fuerza de compresión.
Para la determinación de la carga se empleó una prensa oleodinámica diseñada específicamente para probar cilindros de
concreto de 4.45 cm a 15 cm de diámetro en un ámbito de carga de 300 kg a 29.7 toneladas; proporcionando cargas
uniformes. Equipada con manómetro provisto aguja de arrastre ó dispositivo electrónico con memoria11,12. La precisión
de los manómetros deberá ser superior a 2.5 % de la carga aplicada; mínimo 100 kPa.
Para evaluar el funcionamiento del sistema se evaluaron aproximadamente 100 especímenes de un mismo tipo de tubo.
Se encontró que es factible alcanzar una desviación estándar σ<10%, bajo condiciones óptimas de cabeceo, por
preparación o por naturaleza del espécimen. Variando la resistencia a la compresión entre un 280 % por cualquiera de
estas causas.
CONCLUSIONES
Se encontró que para la evaluación real de la resistencia a la compresión de tubos concreto se requiere de la obtención de
núcleos extraídos del mismo; ya que la resistencia puede variar hasta en un 60 %, al evaluar un espécimen obtenido
separadamente con el mismo concreto.
La causa de esta variación es el diferente proceso de fabricación del tubo y el del espécimen, debido a que el proceso de
fabricación de tubos produce concreto con diversos tipos de defectos, apreciables hasta la obtención del núcleo. Entre
los principales defectos encontrados figuran fisuras, canalizaciones, deficiencia en la adherencia al acero que impactan la
calidad del espécimen.
Lograr la evaluación real de la resistencia del concreto implica la extracción de núcleos del tubo a evaluar;
obligadamente en diámetros pequeños para obtener especímenes de prueba libres de acero de refuerzo.
En consecuencia, surge la necesidad de desarrollar una técnica e infraestructura para la preparación de éste tipo de
especímenes de prueba; en particular el cabeceado, preparación crítica en la evaluación de resistencia a la compresión.
La inexistencia de dispositivos comerciales para el proceso de cabeceado en diámetros pequeños, obligó a diseñar y
fabricar un prototipo para cabecear en forma confiable los especímenes de prueba. Por sus propiedades se seleccionó el
acero inoxidable para la construcción del sistema cinemático, desarrollándolo con base en experimentación.
El diseño desarrollado permitió construir un prototipo con el material óptimo para el cabeceo preciso de especímenes,
con apego a las especificaciones establecidas en la normatividad asociada; constituyendo la herramienta más importante
para la confiabilidad de la prueba.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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