Patología de Estructuras Universidad de El Salvador INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................................ 3 Contenido OBJETIVOS .................................................................................................................................................................. 3 1. ASPECTOS BÁSICOS RELACIONADOS AL CONCRETO EN ESTADO FRESCO Y ENDURECIDO ..................................................................................................................................... 4 1.1. 1.2. 1.3. 2. Concreto en estado fresco ...................................................................................................................... 4 Concreto endurecido................................................................................................................................ 9 Ciclo de vida útil de las estructuras de concreto ....................................................................... 13 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS AL CONCRETO ENDURECIDO.............................................. 16 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. Normativa aplicable y breve descripción ..................................................................................... 16 Detección y localización del acero de refuerzo (Pachómetro) ............................................ 17 Medición de la humedad superficial (Survey Master) ............................................................ 18 Detección de carbonatación con fenolftaleína............................................................................ 19 Medición de espesor de grietas con microscopio ..................................................................... 21 Número de rebote (Esclerómetro) – ASTM C805 ..................................................................... 22 Velocidad de pulso ultrasónico – ASTM C597 ............................................................................ 24 Potencial de corrosión del acero – ASTM C876 ......................................................................... 26 Método de madurez del concreto- ASTM C1074 ....................................................................... 28 CONCLUSIONES ..................................................................................................................................................... 30 BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................................................... 30 2 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador INTRODUCCIÓN Se presenta a una recopilación de ensayos no destructivos al concreto endurecido que están enfocados en dar información aproximada del existencia y estado del acero de refuerzo, resistencia del concreto, detección de carbonatación, grietas en el concreto, etc., como parte de un proceso de un estudio patológico donde se buscar determinar las condiciones de una estructura desde el punto de vista de durabilidad y resistencia. Se presentan ensayos tanto bajo especificaciones ASTM como ensayos de práctica común que no se encuentran regidos bajo especificaciones ASTM pero que son recomendados por códigos como el ACI. Para mayor comprensión de los ensayos se revisan, primeramente, de forma breve, los aspectos básicos relacionados al concreto en estado fresco y endurecido. El conocimiento de estos aspectos puede ayudar a tener un mejor juicio del origen y causas de lesiones del concreto reforzado. OBJETIVOS 1. Conocer algunos de los ensayos no destructivos aplicables en el estudio patológico de una estructura de concreto armado. 2. Comprender la relación entre los resultados de los ensayos no destructivos al concreto endurecido y las causas y efectos de las lesiones. 3. Identificar las limitaciones de aplicabilidad de los diferentes ensayos no destructivos al concreto endurecido y las consideraciones de a tomar en cuenta en la ejecución de los mismos. 3 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador 1. ASPECTOS BÁSICOS RELACIONADOS AL CONCRETO EN ESTADO FRESCO Y ENDURECIDO Cuando el cemento y el agua entran en contacto, se inicia una reacción química exotérmica que determina el paulatino endurecimiento de la mezcla. Dentro del proceso general de endurecimiento se presenta un estado en que la mezcla pierde apreciablemente su plasticidad y se vuelve difícil de manejar; tal estado corresponde al fraguado inicial de la mezcla. A medida que se produce el endurecimiento normal de la mezcla, se presenta un nuevo estado en el cual la consistencia ha alcanzado un valor muy apreciable; este estado se denomina fraguado final. Ilustración 1. Variación de la resistencia, elasticidad y plasticidad del concreto en función del tiempo desde el momento en que los materiales han sido mezclados. De acuerdo con la ilustración 1, se puede considerar que el concreto fresco propiamente dicho es el que se tiene durante el fraguado inicial y que posteriormente entra en una transición hasta el fraguado final y que al completarse se convierte en concreto endurecido. 1.1. Concreto en estado fresco Al principio el concreto parece una “masa”. Es blando y puede ser trabajado o moldeado en diferentes formas. Y así se conserva durante la colocación y la compactación. • Etapas que comprende el concreto en estado fresco: o Materiales mezclados o Transporte o Colocación o Compactación o Acabado Las propiedades más importantes del concreto fresco son la trabajabilidad, posesividad, exudación y segregación. A continuación, se describen estas y otras propiedades del concreto fresco: • Trabajabilidad Es la propiedad del concreto fresco que define la facilidad con la que la mezcla puede ser mezclada, manejada, transportada, colocada y la de darle acabado final. 4 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador En términos de la trabajabilidad, la mezcla puede considerarse muy seca, seca, plástica, húmeda y fluida. Los factores que afectan la trabajabilidad de la mezcla de concreto son el contenido de agua, contenido de cemento, gradación del agregado, asentamiento inicial, uso de aditivos y temperatura de la mezcla y ambiente. Ilustración 2. Factores relacionados a la trabajabilidad. Existen diversos métodos para medir la trabajabilidad del concreto fresco entre los que se encuentran: o o o o Asentamiento de cono – ASTM C143 Flujo Consistencia VEBE Esfera de Kelly En la ilustración 3 se observa la reducción del valor de asentamiento de una mezcla de concreto a medida que el tiempo, después del mezclado, avanza y su variación con su temperatura. Ilustración 3. Variación del asentamiento en función del tiempo después del mezclado y de la temperatura de la mezcla de concreto. 5 Patología de Estructuras • Universidad de El Salvador Cohesividad Facilidad o dificultad que tiene la pasta de cemento y la mezcla de agregados de atraerse. Ilustración 4. Apariencia de mezclas de concreto cohesivas y no cohesivas. • Segregación Separación de los materiales del concreto provocada por la falta de cohesión de la pasta de cemento y/o de la suspensión. En la ilustración 4, puede observarse la segregación provocada en mezclas con poca o nula cohesión. • Peso volumétrico – ASTM C138 Es la cantidad medido en peso de concreto por unidad de volumen. El rango para el concreto común es de 2300 a 2500 kgf/m3. • Contenido de aire – Método de presión ASTM C231 El aire incluido mejora la trabajabilidad de mezclas que de otra manera serían ásperas y difíciles de trabajar y de mezclar con agregados angulares o de baja graduación. Debido a esto se puede reducir considerablemente el contenido de arena y agua. Además, el revenimiento del concreto es más sensible a las variaciones en la relación agua/cemento, si se encuentra presente aire incluido. Si se reduce la relación agua/cemento para conservar el revenimiento, el concreto resultante es aún más trabajable en la práctica que un concreto con igual revenimiento, pero sin aire incluido. La resistencia del concreto a la congelación y deshielo, al igual que a las diversas sustancias para deshelar utilizadas en caminos de concreto y otras áreas pavimentadas, se mejora significativamente por la deliberada inclusión de aire. • Fraguado – ASTM C403 o Fraguado Inicial: Condición temporal del concreto fresco de duración variable que marca el inicio del endurecimiento y del proceso químico de desarrollo de la matriz resistente de la pasta de cemento, en la que se originan deformaciones permanentes si se le aplica energía de desplazamiento (mezclado, vibrado, etc.) constituyendo el fin del estado plástico y de su vida útil durante el proceso constructivo. La norma ASTM C 403 estandariza el fraguado inicial como el tiempo en el cual la fracción de mortero del concreto desarrolla una resistencia a la penetración de 500 lb/plg2 (3.5Mpa) con un pin de 25mm de largo. 6 Patología de Estructuras • Universidad de El Salvador Su duración depende del diseño de mezcla en particular, de la humedad, temperatura del concreto, temperatura ambiente y del tiempo. Una forma práctica aproximada de estimar si un concreto en obra ya está en esta condición, es verificar el momento en que al insertar un vibrador verticalmente por su peso propio y retirarlo lentamente queda un agujero visible (deformación permanente). o Fraguado Final: Condición definitiva del concreto fresco de duración variable que marca el endurecimiento completo y la consolidación de la matriz resistente de la pasta de cemento, donde se requiere gran energía de deformación (impacto, percusión, abrasión, etc.) para alterar la estructura formada. La norma ASTM C 403 estandariza el fraguado inicial como el tiempo en el cual la fracción de mortero del concreto desarrolla una resistencia a la penetración de 4000 lb/plg2 (28.0Mpa) con un pin de 25mm de largo. Depende del diseño de mezcla en particular, de la humedad, temperatura del concreto, temperatura ambiente y del tiempo. Consolidación La consolidación, conocida también como compactación, es el proceso por el cual el aire atrapado en la mezcla fresca es sacado de la misma. Para lograrlo se han desarrollado diferentes procedimientos. La elección del más conveniente dependerá principalmente de la consistencia de la mezcla. El propósito de la consolidación del concreto es lograr la densidad más alta posible del mismo. Ilustración 5. Incremento de la razón de resistencia del concreto en función de la razón de compactación. Ilustración 6. Variación de la resistencia a la compresión del concreto en función de la relación agua/cemento y el método de consolidación. 7 Patología de Estructuras • Universidad de El Salvador Cambios volumétricos Los cambios volumétricos del concreto fresco están relacionados a los fenómenos de retracción y exudación, así como el proceso de curado del mismo. o o Retracción Plástica Por secado Autógena Térmica Por carbonatación Exudación Es la migración del agua hacia la superficie superior del concreto, provocada por el asentamiento de los materiales sólidos; este asentamiento es consecuencia del efecto combinado de la vibración durante la compactación y la gravedad (el agua es el material que menos pesa en el concreto y tiende a flotar). Ilustración 7. Fisuras por evaporación prematura del agua de exudación en la superficie de un concreto recién colado. Ilustración 8. Comparación de niveles de exudación y evaporación de agua de mezcla en función del tiempo. o Curado El curado, según el ACI 308R, es el proceso por el cual el concreto elaborado con cemento hidráulico madura y endurece con el tiempo, como resultado de la hidratación continua del cemento en presencia de suficiente cantidad de agua y de calor. Esta definición pone de manifiesto dos cosas importantes: el cemento requiere de cierta cantidad de agua para hidratarse (en promedio 25% de la masa de cemento), sin embargo, para garantizar en toda la mezcla de concreto, disponibilidad de agua de hidratación para el cemento es conveniente contar con una cantidad mayor, ya que la hidratación sólo es posible en un espacio saturado. Esto no es un inconveniente ya que aún un concreto de baja relación agua/cemento, por ejemplo 0.45, tiene un 80% de agua por encima de lo requerido por el cemento para hidratarse, sin embargo, la prematura desecación del concreto puede reducir el agua en la mezcla, especialmente en elementos laminares, a niveles donde la hidratación será incompleta. 8 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador A continuación, se listan distintos métodos de curado del concreto: Curado húmedo continuo por 24 horas como mínimo. Separar las cimbras lo antes posible Usar impermeables o membrana química Colocar pantallas rompevientos Arena húmeda Tejidos húmedos Emulsión asfáltica Inundación Ilustración 9. Resistencia a compresión del concreto endurecido en función del nivel de curado aplicado. 1.2. Concreto endurecido Es aquel que tras el proceso de hidratación ha pasado del estado plástico al estado rígido. Después de que el concreto ha fraguado empieza a ganar resistencia y se endurece. Las propiedades del concreto endurecido son resistencia y durabilidad. El diseño de las estructuras de concreto está basado en las propiedades del estado endurecido. Principales características • Mecánicas o Resistencia: Habilidad para resistir esfuerzos sin llegar a la falla. La resistencia es una de las propiedades más importantes del concreto, principalmente cuando se le utiliza con fines estructurales. El concreto, en su calidad de constituyente de un elemento estructural, queda sometido a las tensiones derivadas de las solicitaciones que actúan sobre éste. Si sobrepasan su capacidad resistente se producirán fracturas, primero de origen local y posteriormente generalizadas, que podrán afectar la seguridad de la estructura. Por este motivo, los elementos estructurales deben ser dimensionados de manera que las tensiones producidas no sobrepasen la capacidad resistente del material constituyente, lo cual muestra la importancia de conocer esa característica. o Resistencia a la compresión: Máxima resistencia medida en un espécimen de concreto a carga axial. 9 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador • Estabilidad volumétrica El concreto experimenta variaciones de volumen, dilataciones o contracciones, durante toda su vida útil por causas físico - químicas. El tipo y magnitud de estas variaciones están afectados en forma importante por las condiciones ambientales existentes de humedad y temperatura y también por los componentes presentes en la atmósfera. La variación de volumen derivada de las condiciones de humedad se denomina retracción hidráulica, y las que tienen por causa la temperatura, retracción térmica. Por su parte, de las originadas por la composición atmosférica, la más frecuente es la producida por el dióxido de carbono y se denomina carbonatación. • Permeabilidad El concreto es un material permeable, al estar sometido a presión de agua exteriormente, se produce escurrimiento a través de su masa. El grado de permeabilidad del concreto depende de su constitución, estando normalmente comprendido su coeficiente de permeabilidad entre 10-6 y 10-10 cm/seg. Las medidas que pueden tomarse para lograr un mayor grado de impermeabilidad son: a) Utilizar la relación a/c más baja posible, compatible con la obtención de una trabajabilidad adecuada para el uso en obra del concreto. b) Utilizar la dosis de cemento más baja posible, compatible con la resistencia y otras condiciones que establezcan las especificaciones del proyecto. c) Emplear un contenido apropiado de granos finos, incluido los aportados por el cemento, para lograr un buen relleno del esqueleto de áridos del concreto. La cantidad ideal de granos finos puede establecerse a partir de los métodos de dosificación granulométricos. Ilustración 10. Variación de la permeabilidad del concreto endurecido en función de la relación agua/cemento. • Apariencia • Conductividad 10 Patología de Estructuras • Universidad de El Salvador Durabilidad Se considera que un concreto es durable cuando es capaz de resistir las acciones del medio ambiente que lo rodea, así como también los diferentes mecanismos de deterioro que pueden ser físicos, mecánicos, químicos o biológicos. La durabilidad del concreto según el comité ACI -201, se define como su resistencia a la acción del clima (meteorización), a los ataques químicos, a la abrasión o cualquier otro proceso de deterioro. o Ataque de sulfatos Los sulfatos están disueltos en muchas aguas naturales por disolución de sales de terrenos yesíferos y por supuesto en aguas residuales industriales. Los sulfatos reaccionan con la cal libre del cemento, formando yeso, que a su vez reacciona con el aluminio cálcico para formar etringita que es una sal expansiva. Como en muchos ataques del concreto por sustancias disueltas, lo importante no es sólo la concentración, sino la renovación del agua. En época reciente se ha establecido que, aunque la forma de ataque más frecuente es por sulfatos exteriores al concreto, existen ataques de origen interno, procedentes del yeso empleado como regulador de fraguado del cemento. Este tipo de ataques es especialmente peligroso si se emplean sistemas de curado acelerado del concreto. Ilustración 11. Reducción de la expansión del mortero debido al ataque de sulfatos a medida el porcentaje de reducción de aluminato tricálcico (C3A) del cemento es mayor. Para cementos Portland tipo II a la izquierda y tipo V a la derecha. o Carbonatación Es un tipo particular de reacción ácida, de excepcional importancia en la durabilidad del concreto. Se debe a la penetración del CO2 del aire atmosférico en la estructura porosa de la zona superficial del hormigón. Parte se disuelve en algunos de los poros y reacciona con la cal libre del cemento y otros compuestos cálcicos. El proceso origina un descenso del pH en la capa exterior del concreto, de su valor usual, 13, hasta valores del orden de 9, y al perder su basicidad deja de ser un elemento protector de la corrosión de las armaduras. De una forma aproximada la profundidad de la carbonatación d es proporcional a la raíz cuadra del tiempo, de acuerdo con la segunda ley de difusión de FICK. 11 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador El proceso es tanto más intenso cuanto más importantes son los cambios de humedad y más elevada la temperatura. Si el concreto permanece saturado, no hay carbonatación. El proceso es tanto más intenso cuanto mayor es la permeabilidad. De ahí que un curado defectuoso afecte gravemente a la permeabilidad y por tanto a la carbonatación y finalmente a la durabilidad. o Corrosión del acero de refuerzo Carácter protector del concreto. En condiciones normales el acero de las armaduras no se corroe dentro del hormigón, debido a los dos aspectos siguientes 1. El oxígeno existente en la masa del concreto, reacciona con el acero formando una fina capa de óxido sobre la armadura, proceso conocido como pasivación, que la protegerá de cualquier corrosión ulterior. 2. Si el recubrimiento es denso, de espesor suficiente, de carácter básico y de reducida porosidad, impedirá el acceso a la armadura de los agentes agresivos y mantendrá el carácter básico del hormigón del recubrimiento, al reducir la carbonatación a profundidades sin importancia práctica, dentro del período de vida útil de la construcción. Sin embargo, en muchos casos la capa de recubrimiento, por razones diversas, no alcanza o no mantienen el carácter protector provisto, bien porque sea ya originalmente de baja calidad, bien porque sea que los fenómenos de carbonatación y/o fisuración reduzcan su carácter protector inicial. Polarización. El fenómeno electroquímico de la corrosión está basado en el fenómeno de la polarización entre el acero y el oxígeno. En los casos ordinarios de corrosión de armaduras, pueden considerarse dos procesos diferentes: 1. El proceso anódico. Constituye un proceso de disolución del hierro que libera electrones. Par que se produzca este proceso se debe romper la capa pasiva. 2. El proceso catódico. Los electrones liberados en el proceso anódico se combinan en el cátodo con oxígeno y agua, formando iones oxidrilo, que a través de un proceso complejo forman óxido de hierro. Este proceso puede producirse sin destrucción de la capa pasiva. El curado, a través de su influencia en la porosidad, la permeabilidad y la carbonatación, tiene una influencia muy alta en el riesgo de corrosión. Desgraciadamente, en la práctica el curado recibe una atención escasa, 12 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador probablemente porque es frecuente la opinión de que, si se alcanza en el concreto la resistencia a compresión especificada, el curado carece de importancia. Esta opinión es gravemente errónea y se basa en el hecho de que el curado deficiente afecta muy escasamente a la resistencia a compresión del concreto, pero lo hace intensamente a su estructura, resistencia a tracción, mircrofisuración, etc. La experiencia práctica demuestra que, si se emplean recubrimientos adecuados, separadores, baja relación a/c, suficiente contenido de cemento, compactación enérgica y curado suficiente, la durabilidad de las estructuras de concreto es excelente. 1.3. Ciclo de vida útil de las estructuras de concreto Se considera como vida útil de una estructura, el período de tiempo en el cual, ella conserva los requisitos previstos de seguridad, funcionalidad y estética (aspecto), con costos razonables de mantenimiento. Las estructuras de concreto simple o reforzado están expuestas a: • • • • Acciones mecánicas de las cargas de servicio Acciones físicas (cambios bruscos de temperatura y humedad) Agresiones de carácter químico Agresiones de carácter biológico Se hace indispensable profundizar, no solo en el diseño y especificaciones de las mezclas de concreto (desde el punto de vista de durabilidad); sino también en: • • • • Concepción y el diseño de los elementos estructurales y arquitectónicos; Proceso y técnicas de construcción; Metodología de protección, curado y puesta en servicio; Procedimientos de inspección y mantenimiento de las estructuras. En la ilustración 12 se puede apreciar la relación que existe entre los conceptos de durabilidad y comportamiento del concreto. En la ilustración 13 identifica la relación existente entre el comportamiento global de la estructura y la vida útil de la misma. Finalmente, en la ilustración 14 se identifican los costos estimados de reparación asociados a diferentes niveles de intervención. 13 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador Ilustración 12. Relación entre conceptos de durabilidad y comportamiento del concreto. Ilustración 13. Relación entre el comportamiento del concreto y el concepto de vida útil de la estructura. 14 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador Ilustración 14. Costos de reparación en función de su envergadura. 15 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador 2. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS AL CONCRETO ENDURECIDO En el concreto las pruebas en el sitio se llevan a cabo comúnmente dentro de una estructura, en contraste con las desarrolladas en muestras moldeadas prefabricadas del mismo concreto que se utilizará en la estructura. Tradicionalmente se conocen como pruebas no destructivas a aquellas que no dañan el concreto. Sin embargo, a través de los años se desarrollaron nuevos métodos que producen un daño local superficial. 2.1. Normativa aplicable y breve descripción En el marco de referencia de las pruebas no destructivas en estructuras, pueden mencionarse las siguientes normativas aplicables: ASTM E543 - 15 “Standard Specification for Agencies Performing Nondestructive Testing” • Esta especificación cubre los requisitos mínimos para las agencias que realizan pruebas no destructivas (NDT). • Esta especificación puede usarse como base para evaluar agencias de prueba o inspección, o ambas, y está destinada a ser utilizada para la calificación o acreditación, o ambas, de agencias de prueba o inspección, públicas o privadas. ASTM E1212 - 17 “Standard Practice for Establishing Quality Management Systems for Nondestructive Testing Agencies” • Esta práctica cubre los requisitos generales para el establecimiento y mantenimiento de un sistema de gestión de la calidad para agencias involucradas en pruebas no destructivas (NDT). • Esta práctica utiliza los criterios contenidos en la Práctica E543. • Esta práctica utiliza los criterios contenidos en la Norma Nacional Estadounidense ANSI / ISO / ASQ Q9001–2008, Sistemas de gestión de la calidad — Requisitos. • Esta práctica reconoce la importancia de establecer criterios mínimos de seguridad. ASTM E1359 - 17 “Standard Guide for Auditing and Evaluating Capabilities of Nondestructive Testing Agencies” • Esta guía establece áreas de revisión y proporciona un formulario de encuesta que se puede utilizar para determinar la competencia de una agencia de pruebas no destructivas. ACI 364.1R-19 “Guide for Assessment of Concrete Structures before Rehabilitation” Esta guía presenta procedimientos generales para la evaluación de estructuras de hormigón antes de la rehabilitación. Entre los temas cubiertos se encuentran la evaluación preliminar, la evaluación detallada, la revisión de la documentación, la observación de campo y el estudio de la condición, el muestreo y las pruebas de materiales, la evaluación y el informe final. La evaluación para identificar deficiencias sísmicas o del código de construcción está más allá del alcance de esta guía. 16 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador 2.2. Detección y localización del acero de refuerzo (Pachómetro) En estas determinaciones se emplean en principio las denominadas sondas electromagnéticas. El principio de todos estos equipos está basado en que la presencia del acero es un campo magnético altera la corriente alterna que circula entre dos polos. Este tipo de equipos aún cuando sea manejado por personal muy experto, tiene una precisión muy limitada. Son claramente útiles para la determinación de la posición de armaduras, tanto barras principales como estribos, siempre que la densidad o la proximidad de unas barras a otras no origine “sombras” que perturben la lectura. Existen equipos modernos digitales que permiten también determinar el diámetro de las armaduras de refuerzo y/o el espesor de recubrimiento, aunque con grandes limitaciones e incertidumbres que deben ser consideradas. • Objetivos del ensayo Determinar la ubicación y diámetro del acero de refuerzo en el concreto y su espesor de recubrimiento. • Equipo: Pachómetro Es un aparato desarrollado para detectar elementos metálicos ocultos; por ello se usa para la localización de barras de refuerzo en un elemento de concreto armado, y también para medir el espesor de recubrimiento y el diámetro de la barra de acero de refuerzo. Existen varios modelos de Pachómetro, los mas sencillos que solo permiten detectar la localización de la barra, y los de nueva generación, que proporcionan los parámetros antes mencionados. El aparato está formado por un sensor y un módulo de lectura y control. Ilustración 15. Pachómetro. • Materiales y equipos requeridos para la ubicación del acero de refuerzo en concreto armado. o Cinta métrica. o Marcadores de tinta indeleble o similar. o Regla. o Planilla de medición. • Procedimiento Se realiza una un barrido con el sensor del Pachómetro en sentido a la dirección estimada de la localización del acero, de manera que el eje mayor del sensor sea paralelo al acero hasta observar la máxima lectura del instrumento. Al observar que la lectura 17 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador comienza a descender, se invierte lentamente el barrido hasta encontrar la máxima lectura nuevamente, lo cual indicará la posición del acero. Se marca sobre la cara del elemento con tinta, la posición del acero de refuerzo. Ilustración 16. Uso del Pachómetro. Para determinar la profundidad del acero de refuerzo, se debe medir el espesor de recubrimiento, es decir la distancia desde la superficie más externa del acero de refuerzo hasta la cara externa del concreto. 2.3. Medición de la humedad superficial (Survey Master) Hay un número de técnicas disponibles para medir el contenido de humedad en el concreto: • Conductividad eléctrica: es medida entre dos electrodos colocados en la superficie. • Medidor de Capacitancia: la capacitancia depende de las propiedades dieléctricas del medio entre placas. • Micro ondas, radar, gauge de electrones. Surveymaster™ ayuda a los profesionales de la construcción, tales como contratistas, aparejadores, constructores y arquitectos, a evaluar los niveles de humedad durante actividades de nueva construcción y reforma. Un exceso de humedad en las construcciones puede provocar la descomposición y el deterioro de los componentes y acabados decorativos. Los profesionales que intervienen en la identificación, gestión y solución de humedades necesitan herramientas para: • Identificar el grado de penetración de la humedad • Diagnosticar la causa del problema • Vigilar los cambios en el grado de humedad 18 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador Ilustración 17. Medidor de humedad superficial en el concreto Surveymaster. 2.4. Detección de carbonatación con fenolftaleína Este ensayo se realiza con la finalidad de determinar el grado de alcalinidad del concreto, ya que una de las principales causas del deterioro del concreto armado es la acidificación de éste debido a un proceso de carbonatación originado por la permeabilidad del material o la presencia de fisuras que permite el acceso del CO2, dióxido de carbono (anhídrido carbónico), proveniente de la atmósfera. Cuando ocurre la formación de carbonatos cálcicos en ele concreto, se produce una reducción del valor del pH, el cual resulta finalmente con un valor cercano a la neutralidad. Similar fenómeno se produce, si el concreto está en contacto con agua en circulación o ligeramente ácida, en donde se reduce el valor del pH por efecto del lixiviado de todas las sales contenidas en los poros. Esta profundidad de la capa superficial carbonatada o lixiviada se llama “Profundidad de carbonatación”, en donde la reducción del pH se hace visible por el cambio de color de un indicador apropiado. Ilustración 18. Proceso de carbonatación del concreto. 19 Patología de Estructuras • • • Universidad de El Salvador Objetivo del ensayo Determinar la profundidad de la carbonatación en el concreto por el método de vía húmeda con solución de indicador ácido-base. Equipos y materiales o Instrumentos de medición: regla con escala milimétrica, vernier, etc. o Herramientas para extracción de muestras: piquetas, taladros, etc. o Material para limpieza superficial: brochas, paños, etc. o Solución indicadora ácido -base: fenolftaleína (1g fenolftaleína +49g alcohol +50g de agua). Procedimiento Una vez seleccionada el área para extracción de la muestra, el ensayo se lleva a cabo siguiendo los siguientes pasos: o Toma de muestra: Se procede a taladrar una o varias secciones manual o mecánicamente hasta la profundidad de interés, dejando el lugar libre de material suelto y polvo, lo cual expone la superficie para el análisis. En caso de contar con núcleos (coredrills) o porciones de éstos recién extraídos en la zona de estudio se pueden emplear para el ensayo siempre y cuando el tiempo de exposición de la superficie a evaluar no sea mayor a 15 minutos (fractura fresca). o Una vez seleccionada la muestra y estando su superficie libre de polvo, se aplica por atomización el indicador ácido-base en forma uniforme. o Después de haber aplicado la solución y antes de transcurridos 15 minutos se debe efectuar la medición de la profundidad de la zona incolora desde la superficie, determinando con precisión los valores máximos y mínimos de la parte incolora y la media aritmética de un mínimo de mediciones en función del espesor de recubrimiento, este procedimiento no debe tardar más de 20 minutos. La experiencia indica tomar el mayor valor determinado. o Deberá levantarse un registro preciso de la ubicación de las mediciones, tonalidad visualizada, profundidad de carbonatación medida e indicar explícitamente el tipo de indicador utilizado. Igualmente se debe efectuar un registro fotográfico. Ilustración 19. Resultado de ensayo de carbonatación a muestra de concreto. 20 Patología de Estructuras • Universidad de El Salvador Criterios de análisis y valoración de los resultados En función del indicador seleccionado se establece el pH del frente incoloro de la muestra. La fenolftaleína es el indicado usado por excelencia debido a que su coloración (púrpura) permite con menor riesgo de error establecer la diferencia entre el espesor carbonatado y el no carbonatado a diferencia de otros indicadores, cuya coloración no hace tan evidente esta condición. El rango de viraje está entre pH 8.2 y pH 9.8, y la tonalidad varia de incoloro a violeta rojizo. Midiendo la zona incolora desde la cara externa del elemento hacia el acero de refuerzo, se determina la profundidad de carbonatación para el punto de edición indicado, se recomienda realizar un muestreo aleatorio para la medición de esta propiedad, así como la determinación del espesor de recubrimiento del elemento medido a fin de evaluar el porcentaje de penetración. 2.5. Medición de espesor de grietas con microscopio Un microscopio de alta calidad diseñado para medir el ancho de grieta en miembros de concreto, muros de mampostería y otras estructuras. El aparato funciona por una lámpara ajustable y la imagen se enfoca al girar una perilla. La escala del ocular puede girarse 360° para alinear con la dirección de la grieta o separación que se pretende examinar. Ilustración 20. Microscopio para medición de ancho de grietas. Especificaciones técnicas • • • • • • Aumento: 40x Rango de medición: 4 mm Subdivisiones: 0,02 mm Operado por baterías Dimensiones: 150x80x45 mm Peso aproximado: 550 g. 21 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador 2.6. Número de rebote (Esclerómetro) – ASTM C805 Busca determinar la resistencia del concreto mediante el uso de una correlación con la dureza de la superficie. El esclerómetro fue inventado a principio de la década de los años cuarenta por el Ingeniero suizo Ernst Schmidt, y ajustado mediante amplias series de ensayos realizados fundamentalmente en el Instituto Politécnico Federal de Zúrich. Esencialmente el esclerómetro está destinado a medir el índice de rebote, y por lo tanto la dureza superficial del concreto, mediante un resorte que se carga apretando el aparato contra la superficie del concreto hasta su carga completa. En ese momento el resorte dispara el vástago de acero contra la superficie del concreto y el aparato mide el índice de rebote dejando una marca en posición fija a lo largo de su escala. El aparato debe ser colocado perpendicularmente a la superficie del concreto y sostenido firmemente hasta que se produce el rebote. Ilustración 21. Kit de equipo de esclerómetro. Ilustración 22. Ilustración esquemática de la operación del esclerómetro. 22 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador En la ilustración 23 se muestra el manejo del esclerómetro en posición horizontal. Ilustración 23. Manejo del esclerómetro en posición horizontal. En la ilustración 24 se indica la escala del aparato para lecturas de índice esclerométrico correlacionadas con resultados de resistencia del concreto en probeta cilíndrica. Como se ve en el gráfico contiene curvas para distintos ángulos desde la lectura en techo hasta la lectura en suelos o pavimentos de concreto. Ilustración 24. Escala del aparato para lectura del índice esclerométrico. El empleo del aparato requiere una gran experiencia por parte del operador y su apreciación, que en esa situación puede estimarse en líneas generales de +/- 25%, si no se ha realizado una calibración directa +/-10% si se ha realizado la calibración, está relacionada con muchos factores de los cuales los más importantes son: • • • El aparato es muy sensible a las variaciones locales del concreto relacionadas con la posición de las partículas de grava cercanas a la superficie. Por este motivo cada lectura del esclerómetro suele elegirse una zona determinada del orden de 6x6 a 10x10 cm en el cual se hace un cierto número de disparos, generalmente no menos de 9, sacándose la media y despreciando resultados según la dispersión que se encuentre. Tipo y dosificación del cemento, la propia masa del elemento de concreto sobre el que se realizan las medidas, tipo de encofrado y superficie y la compactación que haya sufrido el concreto. Todas estas variables solamente pueden ser tenidas en cuenta solamente mediante un tarado directo del esclerómetro con probetas moldeadas correspondientes a las condiciones determinadas de uso. Las lecturas del esclerómetro aplicadas sobre una pieza de concreto en estado húmedo, son mas bajas que cuando ésta está en estado seco y ello naturalmente influye en el rebote producido. Este punto debe ser considerado cuidadosamente en el caso de que 23 Patología de Estructuras • • Universidad de El Salvador se establezca una calibración y en todo caso debe ser consignado en el parte de recogida de datos de la determinación de resistencia. Probablemente la variable con influencia máxima sobre el uso del esclerómetro es la carbonatación. Esto hace que en condiciones normales el esclerómetro no deba usarse para concretos de más de tres meses de edad, salvo que se realicen investigaciones especiales. Naturalmente esta dureza superficial, si afecta a una capa de suficiente espesor, es interpretada por el esclerómetro como una resistencia alta cuando en realidad el interior de la masa y por lo tanto la mayor parte de la pieza de concreto, puede tener una resistencia real considerablemente más baja. Esto hace que en condiciones normales el esclerómetro no deba usarse para concretos de más de tres meses de edad, salvo que se realicen investigaciones especiales. Una posibilidad naturalmente de utilizar el esclerómetro en concretos de edad superior a tres meses es la de pulir la superficie del concreto, una vez determinado el espesor de la capa de carbonatación para eliminar ésta. Análogamente el esclerómetro no debe aplicarse a concretos muy jóvenes salvo que se hayan obtenido correlaciones directas para su empleo. Como norma general no debe aplicarse hasta que el concreto no alcance una resistencia de 7 MPa. Con el equipo se suministra un yunque de tarado que es de empleo obligado cuando se procede a realizar lecturas esclerométricas. El yunque puede observarse en la ilustración siguiente: Ilustración 25. Yunque de calibración del esclerómetro. 2.7. Velocidad de pulso ultrasónico – ASTM C597 La técnica de ultrasonidos fue desarrollada simultáneamente en Estados Unidos, Francia e Inglaterra, también la década de los 40. Esencialmente este tipo de aparatos está basado en producir ondas con transductores electroacústicos y medir su velocidad de recorrido en el concreto. Básicamente la teoría de trabajo del pulso ultrasónico se basa en que la velocidad de progresión de las ondas en cualquier medio homogéneo, elástico e isótropo, viene dado por la fórmula: = ∗ En ella Ed es el módulo dinámico de elasticidad y ρ la densidad del material. El valor de k viene dado por la fórmula, 24 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador = (1 + (1 − ) ) ∗ (1 − 2 ∗ ) Donde νd es el módulo dinámico de Poison para el material de que se trate. Ilustración 26. Equipo de Pulso Ultrasónico. Análogamente al caso del esclerómetro, el quipo necesita ser tarado periódicamente para lo cual se suministra con él un cilindro de acero de longitud y calidad determinadas, a la cual se aplica el emisor y el receptor, debiendo estar la velocidad mantenida dentro de unos límites establecidos por el fabricante para el tarado. La utilización en obra puede verse en la ilustración siguiente: Ilustración 27. Medición de forma indirecta. El aparato mide el tiempo que tarda la onda en recorrer la distancia del emisor al receptor. Cualquier vacío de aire es recorrido por la onda a velocidades, comparativamente, mucho más bajas que aquellas a las que recorre el concreto, por lo que es fundamental asegurar bien el contacto de ambos palpadores a la superficie del concreto. Esta se limpia previamente y se le aplica una grasa especial para asegurar el contacto. Como el aparato mide la velocidad, es necesario proceder directamente a la medición, con la precisión adecuada, de cada longitud, para poder deducir la velocidad de transmisión y con ella y mediante el gráfico de la ilustración siguiente, suministrado por el fabricante, la resistencia del concreto. 25 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador Ilustración 28. Correlación entre la resistencia de probetas de concreto y la velocidad de pulsación. Comparando el esclerómetro con el equipo de ultrasonido, las ventajas de este segundo son evidentes en cuanto a no estar influido por la carbonatación ni por la proximidad superficial de los granos de grava y al mismo tiempo poseer la capacidad de detectar defectos interiores en profundidad en el concreto. También en este caso es imprescindible una gran experiencia y especialización en el personal que lo maneje, pues las formas de medición con equipo de ultrasonidos pueden verse influidas y existen fórmulas de corrección para ello, si la transmisión se realiza paralelamente a armaduras próximas, en sentido perpendicular, si existen fisuras, etc. Ilustración 29. Medición del pulso ultrasónico. 2.8. Potencial de corrosión del acero – ASTM C876 Se define como el potencial eléctrico de un metal, relativo a un electrodo de referencia, medido bajo condiciones de circuito abierto. La medida del potencial del acero de refuerzo, permite tener una idea de la probabilidad de activación del acero ante la corrosión. • • Objetivo del ensayo Medir el potencial del acero de refuerzo del concreto mediante el uso de un electrodo de referencia de Cu/CuSO4. Equipos y materiales o Brocha, cepillo y otras herramientas para limpieza manual o mecánica de la superficie. o Cables y conectores. o Esponja plana, agua potable para humedecer la superficie. o Electrodo de referencia apropiado (Er). Cu/CuSO4. o Voltímetro de alta impedancia. 26 Patología de Estructuras • Universidad de El Salvador Procedimiento o Se selecciona la superficie a evaluar, en caso de no tener libre acceso a una sección del acero de refuerzo del concreto, deberá perforarse la estructura hasta descubrir el acero de refuerzo. Una vez localizado, debe haber garantía de continuidad eléctrica del mismo al momento de efectuar las mediciones. o Se trazan sobre la superficie del concreto unas líneas en forma de cuadrículas que indican la posición del acero de refuerzo. El espaciamiento seleccionado dependerá de la rigurosidad de inspección y de la ubicación del refuerzo. o Se limpia la superficie seleccionada y la superficie del acero expuesto. La superficie del concreto debe ser lisa a fin de que el electrodo acople adecuadamente. En el caso del acero de refuerzo si éste presenta productos de corrosión, deberán ser removidos por medios mecánicos. o Con la finalidad de lograr una lectura correcta se debe humedecer previamente la superficie del elemento por un lapso de media hora antes del inicio de las mediciones. Esto mejora la conductividad. o Se realiza la conexión del electrodo de referencia (Cu/CuSO4), al negativo del voltímetro. o Los nodos de la cuadricula serán los puntos de referencia para la ubicación del electrodo para la medición. En estos puntos se coloca sobre la superficie del concreto una esponja plana delgada previamente humedecida para mejorar el contacto electrodo-concreto. Se coloca el electrodo sobre la esponja, se efectúa la medida y se registra. Ilustración 30. Medición del potencial de corrosión del acero de refuerzo. • Criterios de evaluación La norma ASTM C-876-87: “Standar test method for half-cell potential of uncoated reinforcing steel in concrete”, establece como criterio de valoración de potenciales del acero en concreto vs Cu/CuSO4 que los potenciales más positivos de -200mV (zona pasiva) indican una probabilidad que el acero se esté corroyendo menor del 10%, potenciales entre -200mV y -350mV corresponden a un 50% lo indica una variación entre el estado pasivo y activo (zona de incertidumbre) del acero de refuerzo y potenciales más negativos a -350mV (zona activa) indican un 90% de probabilidad que exista corrosión en el acero, para ambientes donde predomine la acción del ión Cloruro como factor desencadenante de corrosión. Cabe destacar que este ensayo por sí solo no diagnostica la corrosión, debe complementarse con otros ensayos electroquímicos, físicos y/o químicos a fin de diagnosticar correctamente, además debe ser analizado e interpretado por profesionales especializados en corrosión a fin de garantizar el correcto análisis de resultados y por ende validar el resultado obtenido. 27 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador 2.9. Método de madurez del concreto- ASTM C1074 El método de la madurez se creó con la intención de estimar el desarrollo de las propiedades del concreto, relacionándolas con la temperatura histórica durante el proceso de curado, con las funciones de la madurez de tiempo y temperatura (Scoares et al., 2006). En construcción civil, el método de la madurez se usa para determinar el tiempo aproximado que demora el concreto en alcanzar una determinada resistencia a la compresión "in situ", analizando la descripción de la temperatura en la que ocurre el curado y las muestras analizadas en el laboratorio tratadas con temperaturas controladas. El uso de la cura termal para el concreto se emplea principalmente para reducir el tiempo de curado de las partes cuando se requiere una alta rotación de los moldajes. El aumento de la temperatura de curado del concreto acelera las reacciones químicas de hidratación del cemento, confiriendo una mayor resistencia inicial, reduciendo así el tiempo de retiro de los moldajes. Sin embargo, según (Peres et al., 2007) cualquier propiedad mecánica o física del concreto relacionada con el grado de hidratación podría ser alcanzada por el método de la madurez, y no integrándola al proceso para estimar la resistencia a la compresión. Inicialmente, el concepto de la madurez se relacionaba con la ley de ganancia de resistencia a la compresión con la madurez: "Una misma muestra de concreto con exactamente el mismo grado de madurez – medido como una función de la temperatura y del tiempo - tiene, aproximadamente, la misma resistencia que cualquiera de las combinaciones de temperatura y tiempo para alcanzar el factor de madurez"(Barbosa et al., 2005). (Peres et al., 2007) consideraban la relación de la madurez con el grado relativo de desarrollo de la resistencia a la compresión, lo que a su vez modificó la ley de Saul de 1951: "Una misma mezcla de concreto con exactamente el mismo grado de madurez (medido como una función de la temperatura y del tiempo) tiene, aproximadamente, la misma resistencia relativa que cualquiera de las combinaciones de temperatura y tiempo para alcanzar el factor de madurez". (Salvador Filho et al., 2002) sugirieron que solo el tiempo del producto por la resistencia sería capaz de producir el mismo efecto de curado que el vapor en beneficio de la resistencia a la compresión. La función de Nurse-Saul adquiere la forma siguiente, más extensa debido a su simplicidad, como se aprecia en la ecuación siguiente: M(t)= factor de la madurez a la edad t (°C.h) Δt= intervalo de tiempo (h) Ta= promedio de la temperatura en un intervalo de tiempo t (ºC) To= temperatura basal (°C) 28 Patología de Estructuras Universidad de El Salvador La función desarrollada por Freiesleben-Hansen y Pedersen (FHP), basada en el modelo de Arrhenius para la dependencia de una reacción de la temperatura, se aplica más usualmente al método de la madurez, incluyendo un parámetro relacionado con la sensibilidad térmica de la reacción, llamada energía de activación aparente, como se aprecia en la ecuación siguiente: Ea = energía de activación aparente R = constante universal de los gases (8.314 J/mol.K); T = temperatura absoluta del concreto durante el intervalo de tiempo ∆t (K) Tt= temperatura de referencia (k). 29