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Propiedades del Hormigón “in situ”

Roberto TorrentMaterials Advanced Services SRLBuenos Aires, Argentinawww.m-a-s.com.artorrent.concrete@gmail.com

Webinar “Propiedades del Hormigón Fresco y Endurecido”, Abril 2020

2

Objetivos

Recordar la distinción entre las propiedades del hormigón en laboratorio e “in situ”

Discutir la necesidad, utilidad y limitaciones de las pruebas “in situ”, tanto destructivas (núcleos) como no destructivos

Describir y mostrar los ensayos no destructivos máscomunes

2

3

Tabla de Contenidos

1. Labcreto vs Realcreto

2. Razones para realizar investigaciones “in situ”

3. Extracción y ensayo de núcleos

4. Métodos de ensayos no destructivos

Martillo de rebote Ultrasonido Madurez Permeabilidad al Aire Recubrimiento

5. Conclusiones

6. Referencias

4

Labcreto vs. Realcreto

Producción

Despacho

MuestreoColocación &Compactación

Preparación de la probetaCurado ?

Curado Humedo

Ensayo a 28d. Cilindro

Madurez natural

Extracción testigos

Ensayo de Testigos@ ?? días

3

5

Razones para realizar investigaciones “in situ”

Básicamente, hay tres razones por las que interesaría investigar “in situ” la calidad del hormigón:

1. Bajas resistencias de las probetas normalizadas2. Problemas de comportamiento del hormigón

(fraguado o endurecimiento anormal, fisuras, abrasióntemprana, ampollamientos, etc.)

3. Reactivación de una estructura abandonada o cambiode uso de una existente (mayores solicitaciones)

4. Signos de daños (descascaramientos, fisuras, erosión, etc.) o eventos inesperados (fuego, explosión, etc.)

Principal interés de los productores de RMX

6

Ensayos de Núcleos

Aunque destructivo, ensayar testigos es el mejor procedimientopara concoer la Resistencia Real en terreno. Las interpretaciónde los resultados no siempre es fácil.Los métodos indirectos (END) sólo puede dar una indicación aproximada de la resistencia del hormigón “in situ”. La precisión de la estimación se puede aumentar con una calibración adecuada:

f’c

Nú

cle

os

END

4

7

Análisis del Ensayo de Núcleos/ DiagnósticoLos núcleos también pueden ser extraídos para otros propósitosque conocer la resistencia “in situ”, especialmente para diagnosticar fallas.

Un ensayo que puede ser aplicado directamente a los núcleos es la succión capilar y absorción de agua (porosidad). La succióncapilar es una medida de la “penetrabilidad” del “recubrimiento”.Los testigos a veces son usados para analizar el hormigónmediante:

Análisis químico (estimar el contenido de cemento)Observación microscópica (óptica y SEM), MIP distribución de tamaños de los porosOtras técnicas más complejas (e.g. detección RAS )

8

Extracción de Núcleos

5

9

Ensayo de Núcleos para Resistencia: Tips1. Evitar presencia de acero (puede reducir la

resistencia en 20%) – usar detector de barras de acero

2. En elementos altos, la resistencia de los testigoscerca de la parte baja es mayor

3. Testigos extraídos verticalmente son 8% másresistentes que los horizontales

4. Testigos de L/D=1 (pequeños/económicos y sin factor de corrección)

5. Tenga cuidado con los testigos con muchos vacíos (falta de compactación), en particular, no se deben aceptar ensayar núcleos con más de un 5% de exceso de vacíos

10

Ejemplo: RMX ‚ Exportación a Gibraltar

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

2.10 2.15 2.20 2.25 2.30 2.35 2.40 2.45

Core Density (Mg/m3)

BS

Cu

be

Str

en

gth

(M

Pa

)

Densidad de los núcleos (Mg/m3)

Res

iste

ncia

a c

ompr

esió

n (M

Pa)

f’cmin = 0.85 * 35 - 4

Medir la densidad de los núcleos!!!

6

11

Ensayo de Testigos: Exceso de Poros

Exceso de Poros (%)

0

0.5

1.5

3.0

[Concrete Society, 1976]

12

1

1.02

1.04

1.06

1.08

1.1

1.12

1.14

1.16

1 1.25 1.5 1.75 2

Re

sis

ten

cia

Re

lati

va

Relación Altura / Diámetro

Efecto de la esbeltez sobre la Resistencia ASTM C42 / IRAM 1551

7

13

Ensayos No Destructivos para la Resistencia

Hay numerosos END (ESD) desarrollados para estimar la resistencia del hormigón “in situ”:

1. Esclerómetro (ASTM C805/IRAM 1694)2. Módulo E dinámico: resonancia (IRAM 1693)

3. Velocidad de Pulso Ultrasónico (IRAM 1683)4. Resistencia a la Penetración (ASTM C803)5. Ensayo de Pullout (ASTM C900)6. Ensayo Break-off (ASTM C1150)7. Luisoni & Somenson (1974)

Más utilizados

[Malhotra, 1976; Mindess & Young, 1981; ACI 228.1R, 1995; ACI 228.2R, 1998; Malhotra & Carino, 2004]

TC 249 (2019)

Non-destructive in situ strength assessment of concrete - State-of-the-art report

of the RILEM Technical Committee 249-ISC; Edited by Denys Breysse, Jean-Paul

Balayssac (en preparación)

14

Ensayos No Destructivos para la ResistenciaEND pueden usarse para una rápida, extensiva y económica evaluación general de la calidad del hormigónen una estructura y así ayudar a decidir dónde extraertestigos:

Baja

BajaAlta

Alta

Media

Alta

8

15

Esclerómetro (IRAM 1694)Desarrollado en Suiza en 1948 por Schmidt, es el másampliamente utilizado (a veces abusado) END para el hormigón, debido a su simplicidad y bajo precio.

Deformación Plástica

16

9

17

Resistencia Estimada por la magnitud del Rebote

Cylin

der

Str

en

gth

(M

Pa)

18

Rebote vs ResistenciaBajo ciertas circunstancias favorables, existe una correlación entre Rebote y Resistencia.

Co

mp

ressiv

e S

tren

gth

(M

Pa)

7

14

21

28

35

42

49

56

Nota:Esta correlación no es única y debe establecerse caso a caso !!!!!.

Rebote

Res

iste

ncia

a C

ompr

esió

n (M

Pa)

10

19

Martillo de Rebote: Tips

Factores que pueden afectar significativamente las lecturas del rebote (aparte de la calidad del hormigón):

1.Rugosidad de la superficie bajo ensayo2.Contenido de humedad del hormigón3.Rigidez del elemento ensayado (en ensayos de

laboratorio sobre probetas, se las debe fijar en la prensa de ensayo)

4.Edad (Carbonación) del elemento5.Dirección del impacto ( )6.Temperaturas de congelamiento

El Martillo es útil para verificar la uniformidad del hormigón o comparar elementos confeccionados con hormigones similares

20

Ed = K n² L² δv = velocidad de la onda (m/s)Ed = Módulo E dinámico (N/m²= kg/m s²)δ = Densidad del hormigón (kg/m3)n = Frecuencia de Resonancia (1/s)L = Longitud de la probeta (m)K = constante de configuración

Módulo E dinámico: Método de Resonancia IRAM 1693

ActuadorSensor

Probeta

Sujeción

El Ed de este método es muy útil para detectar deterioros enprobetas sometidas p.ej. a congelación o ataque por SO4

2-

Es END, pero no de campo

11

21

Método Ultrasónico en sus albores……

Homenaje a la Inga. Eugenia

Valiente, quien me acompañó y guió

en mis primeros pasos en el uso de

Ultrasonido «in situ», allá por

1970……

22

Ed = Módulo E (N/m²= kg/m s²)δ = Densidad del hormigón (kg/m3

μ = Coeficiente de Poisson

Ed = V² δ (1+ μ)(1-2 μ)(1 – μ)

Ed = 0.90 V² δ (para μ= 0.20)

V = L / t

V = Velocidad de ultrasonido (m/s)L = Longitud de la probeta (m)t = Tiempo de pasaje (s)

Módulo E dinámico: Método Ultrasónico IRAM 1683

Haz focalizado; no tan bueno para monitoreardeterioros

12

23

Módulo E: estático vs dinámico

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Deformación Específica (‰)

Te

ns

ión

/ R

es

iste

nc

ia (

%)

Es

Ed

Es ≈ 0.83 Ed

Útil para control de calidad, luego de correlacionar Ed con Es

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Velodidad del Pulso Ultrasónico

13

25

Velocidad del Pulso Ultrasónico

V = L / t

V = Velocidad del pulso (m/s)L = Longitud recorrida (m)t = Tiempo ocupado (s)

El Método Directo es el más confiable, porque L puede ser medido certeramente

L

26

14

27

Velocidad del Pulso UltrasónicoBajo ciertas circunstancias favorables, existe una correlación entre la Velocidad del Pulso Ultrasónico y Resistencia.

Nota:Esta correlación no es única y debe establecerse caso a caso !!!!!.

0 14 28 42 56 70

Cube Compressive Strength (MPa)

Vel

ocid

ad d

e U

ltras

onid

on(m

/s)

Resistencia a Compresión (MPa)

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Ensayo de Ultrasonido: Usos

El ensayo de Ultrasonido es utilizado para:1.Verificar la uniformidad del hormigón2.Comparar la calidad del hormigón de elementos

confeccionados bajo condiciones similares3.Detectar discontinuidades (e.g. áreas de pobre

compactación, oquedades o grietas) 4.Estimación de resistencia o Módulo E (si está

calibrado)5.Evaluación del deterioro (fuego, congelamiento, ataque

químico)6.Monitoreo del endurecimiento (Desarrollo de

Resistencia)

15

29

Ensayo de Ultrasonido: Tips

Factores que pueden afectar significativamente la velocidad del ultrasonido (aparte de la calidad del hormigón):

1.Contacto Superficie-Transductores (rugosidad)2.Contenido de humedad del hormigón3.Presencia de barras de acero4.Edad del elemento5.Longitud recorrida por la onda6.Temperaturas extremas (intemperie, rango 5-30°C)

30

Investigación en INTI con END (Revisitada)Se prepararon hormigones con 3 relaciones a/c, con elmismo mortero pero distintos agregados gruesos, queaseguraran distintos tipos de falla:

• Canto Rodado (CR), a/c = 0.50, 0.65 y 0.80

• Piedra Partida (PP), mismas a/c

• Arcilla expandida (AE), a/c = 0.60, 0.67 y 0.71

Se moldearon cilindros de 15x30 cm (para f’c y Ee) y viguetas de 15x15x60 cm (para END). La mitad de lasprobetas se curaron bajo agua y la otra mitad a la intemperie, estados en que se ensayaron a 7, 28, 60 y 90d.

Se aplicaron, entre otros:

• Esclerómetro de rebote (R)

• Pulso ultrasónico (V)

[Guerrero et al, 1977]

16

31

0

5

10

15

20

25

30

35

40

3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

f'c

(MP

a)

Velocidad Ultrasonido (km/s)

CR

PP

AE

Relación f’c vs R y vs V (curadas bajo agua)

Todas las edades

0

5

10

15

20

25

30

35

40

10 15 20 25 30 35

f'c

(MP

a)

Rebote (-)

CR

PP

AE

Regresión

32

0

5

10

15

20

25

30

3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

f'c

(MP

a)

Velocidad Ultrasonido (km/s)

CR

PP

AE

Relación f’c vs R y vs V (curadas intemperie)

Todas las edades

0

5

10

15

20

25

30

35

40

10 15 20 25 30 35 40

f'c

(MP

a)

Rebote (-)

CR

PP

AE

Regresión Agua

La estimación in situ de f’c por medición de R, aún calibrado con ensayos sobre probetas de laboratorio curadas húmedas es optimista

17

33

Relación f’c vs R y vs V (todos los curados)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

f'c

(MP

a)

Velocidad Ultrasonido (km/s)

CR

PP

AE

0

5

10

15

20

25

30

35

40

10 15 20 25 30 35 40

f'c

(MP

a)

Rebote (-)

CR

PP

AE Todas las edades

34

10

15

20

25

30

35

40

45

50

10 20 30 40 50

Ee

(GP

a)

Ed (GPa)

CR

PP

AE

Y = X

Relación Ee vs V y vs Ed

Todas las edades

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

Ee

(MP

a)

Velocidad Ultrasonido (km/s)

CR

PP

AE

Ed (GPa) = 0.9 10-9 V(m/s)² . δ (kg/m³)

CR: δ = 2.340 kg/m³

PP: δ = 2.430 kg/m³AE: δ = 1.750 kg/m³

18

35

Conclusiones investigación INTI

La correlación R vs f’c es muy buena para probetascuradas en agua (todos los agregados y edades), pero no para probetas curadas a la intemperie

El uso del esclerómetro in situ para estimar f’c es cuestionable, aún si se lo calibra en laboratorio con probetas curadas húmedas

La correlación V vs f’c es menos afectada por las condiciones de curado, pero es muy diferente entre agregados livianos y de peso normal

La correlación Ee vs V es excelente para todos los agregados, curados y edades; algo menos cuando se relaciona la Ed calculada con Ee

En ambos casos, el ensayo de ultrasonido es muy útilpara control de calidad del módulo E

36

Efecto de las bajas temperaturas sobre f’c

19

37

Concepto Básico de Madurez (°C.h): ∫ (T+10) . dt

Madurez

Concepto Básico de Madurez

38

°C.h

Estimación de Resistencia 7 d a 5°C

M = (T+10) * t M (°C.h); T (°C), t (h)

28 días a 20°C, M = 20.160 °C.h f’c = 100%

7 días a 20°C, M = 5.040 °C.h f’c = 75%

7 días a 5°C, M = 2.520 °C.h f’c = 53%

a 20°C

20

39

Monitoreo de Madurez en Obra

40

Otros métodos de ensayos No destructivos

1. Inspección Visual patrones de daños2. Métodos de onda-tensión integridad (delaminaciones)3. Métodos Nucleares densidad, radiografía4. Métodos Eléctricos y Magnéticos recubrimiento local

de armadurascorrosión

5. Métodos de Penetración durabilidad potencial6. Termografía Infrarroja delaminaciones, aislación7. Radar localización de acero, oquedades, etc.

Hay varios END desarrollados para otros propósitosaparte de la estimación de la resistencia del hormigón:

[ACI 228.2R, 1998]

21

41

Torrent PermeabilityTester (1995)Made in Switzerland

Permeabilidad al Aire: Método Torrent (Norma Suiza SIA 262/1-E)

PermeaTORR

(2008)Made in Argentina

PermeaTORR AC

(2016)Made in Argentina

[Torrent & Szychowski, 2016; 2017](Holcim, LEMIT…)

(Loma Negra, INTI, UTN Cba.)

(UTN Mza.)

150 P-TORRs300+ PublicacionesInterlaboratorio

42

Permeabilidad al Aire: Método Torrent

22

43

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0.001 0.01 0.1 1 10 100

kT (10-16 m²)

Torrent u. Ebensperger, 1993

Torrent u. Frenzer, 1995

Kubens et al, 2003

Imamoto et al, 2008

Velocidad de Carbonatación vs kT (Natural en lab)

Mayormente OPC; Imamoto et al (20°C, 60% RH); Torrent et al (20°C, 50% RH), Kubens er al (30°C, 40% RH). 3 kT Instruments involved: Prototipo, TPT y PermeaTORR

Velo

c.

Carb

on

at.

Kc

(mm

/a½

)

44

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

Coeff. of Air-Permeability kT (10-16 m²)

Ca

rbo

na

tion

Ra

te K

c (m

m/y½

)

Bldg. UnderpassBridgeOverpassTokyoOsakaTochigiChibaSendai E Sendai WXC3XC4

Very Low Low Moderate High Very High Ultra High

CH

JP

PT

Velocidad de Carbonatación vs kT (“in situ”)

Velo

c.

Carb

on

at.

Kc

(mm

/a½

)

Coef. de Permeabilidad al Aire kT (10-16 m²)

Métodos para estimar vida útil en base a kT y espesor d del recubrimieto en estructuras nuevas y antiguas: [Torrent & Fernández Luco; 2014; Neves et al, 2019]

23

45

Equipo Permeabilímetro Torrent

Factores que pueden afectar las lecturas (aparte de la calidaddel hormigón):

1.Contenido de humedad del hormigón Humidímetro ND2. Irregularidades grandes de la superficie del hormigón3.Grietas

El instrumento se utiliza para verificar la durabilidadpotencial del hormigón de una estructura, tanto como para detectar hormigón de baja calidad debido a su composición, colocación, compactación, curado, exposición, microagrietamiento, etc.Una nueva aplicación en Suiza es para evitar el desprendimiento explosivo del recubrimiento duranteincendios

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Medidor Recubrimiento: Principio Eddy-Current

hormigón

Barra de

acero

Campo magnéticoBobinas

Corrientes parásitas

La perturbación del campo magnético, causado por las corrientes parásitas es mayor cuanto mayor el Ø de la barra y menor el espesor de recubrimiento d

d

24

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Precisión en la estimación de la profundidad del recubrimiento

01020

3040506070

8090

100

A B C D E

Instrument

% o

f S

uc

ce

ss

Shallow Cover (< 40 mm)

All Covers

Éxito = barra detectada + recubrimiento evaluado dentro de ± 10 % del valor real Posición aproximada

y diámetro conocido

[Fernández Luco, 2005; Torrent & Fernández Luco, 2007]

48

Conclusiones

Los ensayos “in situ” son muy importantes para evaluar la calidad real del hormigón en una estructura, la que usualmente es menor que la de las probetas moldeadas

Se los debe usar con criterio ingenieril, aprovechando sus ventajas y respetando sus limitaciones

Se prevé que, en el futuro, se desarrollarán más y mejoresmétodos END

De esta forma, los caros y dañinos ensayos de testigosserán gradualmente reemplazados por evaluaciones ND

Para evaluar la durabilidad, que tanto depende de la calidad (resistencia a la penetración) y espesor del “recubrimiento”, en el futuro se incorporarán en las normas END para medir estas propiedades directamente sobre el producto final: la estructura terminada

25

49

1. Neville, A., “Core Tests: Easy to Perform, Not Easy to Interpret”, Concr. Intern., v. 23, n.11, Nov. 2001, pp. 56-65.

2. Concrete Society, “Concrete core testing for strength”, Technical Report No. 11, Wexham Springs, 1976, 44p.

3. Malhotra V.M., “Testing hardened concrete: non-destructive methods”, ACI Monograph No. 9, 1976, 188 p.

4. Mindess S. and Young J.F., “Concrete”, Prentice-Hall, Inc., 1981, pp. 440-448

5. “In-Place Methods to Estimate Concrete Strength”, ACI 228.1R-95, 41 p.

6. “Non-destructive Test Methods for Evaluation of Concrete in Structures”, ACI 228.2R-98, 62 p.

7. Malhotra V.M. and Carino, N.J., “Nondestructive testing of concrete”, 2nd. Ed., ASTM Intern., 2004.

8. Guerrero, L., Scarpino, L., Torrent, R. y Valiente, E., "Evaluación de la resistencia del hormigón mediante ensayos no-destructivos", 3a. Reunión Técnica de la AATH, Concordia, Noviembre 1977

9. Torrent, R. y Szychowski, J., " Medición no destructiva de la permeabilidad al aire: evolución e innovación", Revista Hormigón N° 54, Octubre 2016.

10. Torrent, R. and Szychowski, J., "Innovation in Air-Permeability NDT: Concept and Performance", XIV DBMC, Ghent, 29-31 May 2017, Proceedings, paper DBMC-p313.

11. Fernández Luco L., “Comparative test – Part II - Comparative test of ‘Covermeters’”, Mater. & Struct. V38, October 2005, 907-911.

12. Torrent R. and Fernández Luco L. (Eds.), “Non-Destructive Evaluation of the Penetrability and Thickness of the Concrete Cover”, RILEM Report 40, 2007, 223 p.

Referencias

50

13. Torrent, R. and Fernández Luco, L., "Service Life Assessment of Concrete Structures based on Site Testing", DBMC 2014 Conference, São Paulo, Brazil, 1-5 September, 2014

14. Neves, R., Torrent, R. and Imamoto, K., "Residual service life of carbonated structures based on site non-destructive tests", Cem. & Concr. Res., v109 (2018) 10–18.

15. RILEM TC249-ISC (2019). “Non destructive in situ strength assessment of concrete”, RILEM Recommendation, Mater. & Struct., 52:71, 21 p.

16. Luisoni, C. and Somenson, H. (1974). “Nondestructive test for determining compressive strength”. ACI J., v7, n3.

17. Di Maio, A. and Rocco, C. (1992). “Evaluation of concrete quality. Lateral pressure test”. Non Destructive Testing 92, C. Hallai & P. Kulcsar Eds., 495-499.

Referencias