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Técnica para estimar la calidad del concreto endurecido

Entre los ensayos destructivos y no destructivos, la experiencia pone en evidencia que estos últimos constituyen una herramienta útil para determinar la calidad del concreto endurecido, pero en ningún caso reemplazan a los primeros.

El uso generalizado de los ensayos destructi-vos y no destructivos está dirigido al diag-nóstico preliminar del elemento de concreto en estudio, sobre todo en estruc-turas de dudosa calidad. Esta es la razón por la que puede afirmarse que los ensayos no destructivos constituyen una etapa previa del estudio. Una vez llevados a cabo, pueden estudiarse las zonas más afectadas del elemento a través de ensayos destructivos y con ello, emitirse consideraciones más concluyentes.

Las técnicas tradicionales, ba-sadas en ensayar a compresión o a flexión muestras del concreto empleado en la estructura en estu-dio, tienen algunas desventajas; el hecho de que existan diferencias en la resistencia del concreto entre las muestras y la estructura real, a causa principalmente de las dife-rentes condiciones de colocación y curado, además de las obvias diferencias de forma y tamaño, y de la no inmediatez en la obtención de resultados; son algunas de las desventajas de estas técnicas. Es-tas y algunas otras, han propiciado que en las dos últimas décadas se haya generalizado el empleo del método de la Velocidad de Pulso Ultrasónico (VPU) entre los ensayos no destructivos, como una vía para determinar la calidad del concreto endurecido.

Con la aparición de las nuevas tecnologías surgen los ensayos no destructivos, los cuales son capaces de brindar información acerca de la resistencia y de la calidad del material, sin afectar la integridad del elemento estudiado. Como ya se comentó, una de las técni-cas más difundidas y de probada efectividad, resulta el empleo del método de la VPU, empleado para determinar las características del concreto, por medio del desarrollo de mediciones de la velocidad ultra-sónica a través del material. Entre las ventajas del uso del método se pueden mencionar: simplicidad de utilización, bajo costo, repetitividad y versatilidad; además de lo que significa, el hecho de formar parte de los ensayos no destructivos in situ aplicados a la evaluación del concreto.

Varios son los métodos que hoy se disponen para de alguna manera estimar la resistencia del concreto. Entre ellos pueden citarse, además del VPU, la radiografía, el radar, la termografía infrarroja, entre otros. El método de la VPU es de los más antiguos dentro de los conside-rados como pruebas dinámicas para determinar la resistencia del concreto in situ; sin embargo, este método también es empleado en la actualidad para detectar defectos internos en el concreto, tales como grietas y/u oquedades.

De forma general, la velocidad de propagación de un movimiento ondulatorio, depende de las caracte-rísticas del medio y de la naturaleza de la perturbación. Las ondas ultra-sónicas son ondas mecánicas cuya frecuencia excede los 20 kHz, valor que constituye el límite de frecuen-cias audibles por el oído humano.

La técnica tiene sus bases en la teoría de propagación de ondas en un medio sólido, homogéneo, isó-tropo y elástico. De la física ondu-latoria se conoce, que la velocidad de propagación de las ondas en un medio de características conocidas, depende principalmente de la densidad y de las características elásticas del medio por el que esta se desplaza. Se suele considerar la Expresión 1 para explicar lo ante-riormente referido; en la expresión se ilustra claramente las bases de la técnica empleada, aunque en reali-dad, la expresión matemática que define la velocidad de propagación de ondas en un medio sólido y no homogéneo como es el concreto, es un tanto más complicada que la mostrada, debido fundamen-talmente a la heterogeneidad del material.

En la expresión V es la veloci-dad de propagación de las ondas, E y son el módulo de elasticidad dinámico y la densidad del medio, respectivamente y K es una cons-tante que depende del coeficiente de Poisson del material.

El concreto es por naturaleza un material heterogéneo compuesto por cemento, agua y agregados (arena y piedras). Son los agregados quienes más incidencia tienen en la relación entre la VPU y la medida de calidad del concreto, de tal forma que para un mismo nivel de resis-tencia, es más probable tener mayor velocidad de pulso en el concreto con mayor contenido de agregados. Asimismo, es un hecho comprobado que el contenido de agua afecta la velocidad de propagación del pulso, aproximadamente en la misma pro-porción que varía su contenido en el concreto. De igual forma influye el tipo de cemento empleado, afectan-do tanto la resistencia del concreto como la VPU.

Las relaciones anteriores permi-ten conocer la calidad del concreto a partir de precisar su homoge-neidad, presencia de agregados, oquedades, contenido de agua, fisuras y cambios de las propieda-des físicas debidos a incendios y a ataques químicos.

El método de la VPU consiste en medir el tiempo que demora un pulso ultrasónico en recorrer la masa de concreto en estudio. Los especialistas lo establecen como una herramienta ideal, muy simple y versátil, para determinar la uniformi-dad en el concreto, tanto a nivel de campo como a nivel de laboratorio. Por otro lado, según se reporta en la literatura especializada, la resis-tencia del concreto determinada por esta vía puede ser predicha con una tolerancia de un ±20%, toleran-cia dependiente tanto del tipo de agregado como de las proporciones de la mezcla. La experiencia mues-tra que cuando aparecen grandes diferencias en la VPU sin una razón aparente, existen grandes probabi-lidades de que se esté en presencia de un concreto defectuoso o dete-riorado; consecuentemente, altas y constantes lecturas de VPU indican buena calidad del concreto. En la Fig. 1 se muestra la relación entre la velocidad del pulso y la calidad del concreto. Estas velocidades aseveran rangos de condiciones que van desde excelentes hasta muy pobres, pasando por bueno, cuestionable y pobre.

Para asegurarse de que los fac-tores externos influyan lo mínimo sobre la calidad de las mediciones de la velocidad de pulso, deben seguirse las siguientes recomen-daciones:

• Es necesario eliminar la super-ficie de acabado de la estructura bajo prueba (cemento, pintura, yeso, etc.) con el fin de lograr un buen contacto.

• Se debe asegurar un buen acoplamiento entre los transduc-tores (emisor y receptor) y el con-creto. Se suele emplear vaselina o grasa en el acople, además de pulir bien la superficie para garantizar un buen contacto.

• Los transductores deben ser colocados a una distancia mínima de 30 cm para prevenir errores, producto de la heterogeneidad del concreto.

• El acero de refuerzo tiene un apreciable efecto en la velocidad del pulso; por lo que deben es-cogerse recorridos de pulso que eviten la influencia del acero de refuerzo, o realizar correcciones en las lecturas.

• Se debe tener en cuenta que para valores de temperatura am-biente cercanos a 0°C, la velocidad del pulso muestra un incremento. Es preferible trabajar en un rango de 5 a 30 °C, en donde la velocidad del pulso no es dependiente de la temperatura.

Es conocido además el potencial del método de la VPU para estable-cer uniformidad y determinar grie-tas u otros defectos en el concreto. En ocasiones, la onda atraviesa la parte dañada del concreto, esto hace que la interpretación de las mediciones de velocidad de pulso deba realizarse con cuidado.

En función de la ubicación del transductor trasmisor (Tx), respecto al receptor (Rx), se emplean tres configuraciones básicas relacionadas con la transmisión del pulso a través del concreto: transmisión directa, semidirecta e indirecta (Fig. 2).

Siempre que sea posible deberá emplearse la transmisión directa, debido a que permite trabajar con máxima sensibilidad y la trayectoria del pulso estará, en consecuencia, bien definida. Cuando no sea po-sible, se empleará la transmisión semidirecta auxiliándose del Teo-rema de Pitágoras para los casos en que la trayectoria a medir sea la hipotenusa del triángulo formado por los transductores y la propia porción bajo prueba. La transmisión indirecta es la menos aconsejable; pues además de ser la menos sensible y de no disponer de una trayectoria previamente definida en lo que a transmisión del pulso se refiere, también introduce otros errores asociados al estado de la capa superficial del concreto, que con frecuencia, sus caracte-rísticas nada tienen que ver con las del concreto a un nivel más profundo.

En la aplicación de la transmi-sión indirecta (Fig. 3, 4 y 7) se suele considerar que la velocidad del pul-so es directamente proporcional a la distancia entre los transductores. Realizando varias mediciones para valores de distancia conocidos se puede determinar gráficamente la relación entre velocidad y dis-tancia, y por tanto, la velocidad media entre todos los puntos. Se entiende que un cambio abrupto de la velocidad del pulso respecto a iguales valores de distancia indicará defectos del concreto bajo estudio. Una aplicación de las mediciones de trasmisión indirecta, para la estimación de la profundidad de grietas en elementos estructurales de concreto, se presenta a conti-nuación.

En las fotografías de la Fig. 3/4, se muestra la estimación de la VPU, colocando los transductores a am-bos lados de una grieta.

En la Fig. 5 se esquematiza la formulación aso-ciada al método de estimación de la profundidad del daño con el método del VPU.

Si se quiere estimar la pro-fundidad “y” de una grieta en un elemento de con-creto, similar al que se presenta en las fotografías 3 y 4, de acuerdo a la esquemati-zación que se presenta en la figura 5, la distancia de recorrido (S) de la onda ultrasónica en las zonas sanas y dañadas se pueden estimar como:

Si se considera que la velocidad de recorrido (V) es la misma cuan-do esta transita por cualquier zona, entonces se tiene que:

Considerando el tiempo (t) de recorrido de la señal, y de acuerdo a la ecuación del movimiento se tendrá que:

En donde despejando se podrá encontrar el valor de la profun-didad del daño “y”, quedando que:

Por supuesto que la exactitud de los resultados será muy depen-diente de las cuantías de armado Figura 6Equipo de medición de VPU. en las zonas de estudios, ya que el incremento de dicha cuantía suele aumentar los niveles de VPU; de ahí que esta determinación debe de utilizarse cuidadosamente.

En el mercado se encuentran disponibles varios modelos de equi-pos, todos bajo el mismo principio, poseen un generador y un receptor de ondas ultrasónicas con un cir-cuito de medición electrónico que toma el tiempo que tarda el pulso en ir del emisor al receptor y lo muestra digitalmente (Fig. 6).

Puede advertirse que el método de la VPU implica una técnica con años de experiencia y bien ganada reputación. Sus principales usos se concentran en evaluar la calidad y homogeneidad del concreto; también estimar cualitativamente: los efectos de la acción de la con-gelación y el deshielo, la resistencia a la compresión, la acción de altas temperaturas, ataques de sulfatos y aguas ácidas, la calidad del curado, la profundidad de grietas u oque-dades, entre otras aplicaciones. Su versatilidad y perfeccionamiento le auguran a esta técnica nuevas ventajas y aplicaciones en un futuro, aún por estudiar.

Texto por: L. Peña, I y E. Vidaud

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