ultrasonidos en hormigon

ESTIMACIÓN DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN EN UNA ESTRUCTURA DE HORMIGÓN, MEDIANTE LA APLICACIÓN DE L A

TÉCNICA DE LA VELOCIDAD DEL IMPULSO ULTRASÓNICO (ENSAYO NO DESTRUCTIVO)

JUAN CARLOS VELASCO GARCIA INGENIERO TÉCNICO INDUSTRIAL




2

1.- FUNDAMENTO DEL MÉTODO El método de la velocidad de propagación de los ultrasonidos en el hormigón, consiste, básicamente, en la medición del tiempo que emplea un impulso de este tipo en recorrer la distancia comprendida entre un transductor emisor y un transductor receptor, acoplados al hormigón que se está ensayando. Las características del material, se determinan teniendo en cuenta dos variables esenciales:

a) El tiempo recorrido b) La potencia del impulso recibido, considerando la pérdida de potencia con

respecto a la del impulso emitido.

En la aplicación de ésta técnica para la auscultación del hormigón, un impulso de vibraciones ultrasónicas longitudinales es producido por un transductor electroacústico, que ha sido puesto en contacto con la superficie del hormigón que se ensaya. Después de recorrer a través de la masa del hormigón una distancia conocida, “L”, el impulso es convertido en una señal eléctrica por medio de un segundo transductor, que también está en contacto con la superficie del hormigón ensayado. Por medio de un circuito electrónico, se determina el tiempo de tránsito “t”, que ha necesitado el impulso para recorrer la distancia “L”.

La velocidad de los ultrasonidos, viene entonces dada por: V = L / t Es preferible la utilización de pulsaciones ultrasónicas (de mayor frecuencia)

frente a las sónicas (menor frecuencia), por dos razones: - Proporcionan un flanco delantero del impulso nítido y bien definido. - Generan la máxima energía en la dirección de propagación.

En el caso que nos ocupa, las frecuencias utilizadas comienzan en las

proximidades de la zona audible y se extienden hasta una frecuencia de 250 kHz, siendo la de 50 kHz la más apropiada para la comprobación del hormigón.

Esto es debido, como ya se ha mencionado, a que para poder realizar una

medición exacta del tiempo de recorrido se necesita un flanco de impulso lo más vertical posible, es decir, frecuencias elevadas. Como por otra parte, únicamente se consiguen grandes penetraciones en materiales heterogéneos (como es el hormigón) con frecuencias bajas (poca amortiguación de la señal), ha de buscarse un compromiso, que nos lleva a utilizar frecuencias de alrededor de 50 Khz.

Los primeros trabajos sobre la medida de la velocidad de impulsos generados




3

mecánicamente a través del hormigón, se realizaron en los Estado Unidos de America hacia mediados de los años 1940. Se observó que la velocidad del impulso dependía primordialmente de las características elásticas del material ensayado y que era la prácticamente independiente de la geometría (dimensiones) de la pieza ensayada.

Posteriormente, han sido desarrolladas otras formas de ensayo, hasta la

aparición de los modernos equipos ultrasónicos, digitales y portátiles, como el Pundit (Portable Ultrasonic Non Destructive Digital Indicating Tester), utilizando rangos de frecuencias entre 50 y 150 kHz por segundo, generados y almacenados por circuitos electrónicos.

Algunos de estos aparatos llevan incorporados un osciloscopio de rayos

catódicos para la medición del tiempo de recorrido entre los dos transductores y ampliación máxima o prefijada, de la señal recibida en el transductor receptor. En el Pundit, al medirse electrónicamente el tiempo de recorrido, puede ser acoplado al aparato para ampliar la señal, cuando la atenuación del impulso ultrasónico resulte en un frente del impulso poco nítido o definido, al recorrer grandes distancias en la masa de hormigón o por encontrar defectos importantes en su interior.

Por otra parte, como son las propiedades elásticas el hormigón las que afectan

a la velocidad del impulso ultrasónico, es necesario considerar en detalle las relaciones entre el módulo de elasticidad dinámico y la resistencia a compresión, cuando se interpretan los resultados del ensayo.

Son tres los tipos de ondas generados por un impulso ultrasónico aplicado a un

sólido, como es el caso del hormigón: - Ondas longitudinales - Ondas transversales - Ondas de superficie o de Rayleigh

En las ondas longitudinales, las oscilaciones ocurren en la dirección de

propagación y reciben también los nombres de ondas de presión o compresión y de densidad, siendo ésta la verdadera onda de carácter audible, ya que transmite las oscilaciones de una fuente acústica a través del aire hasta nuestro oído. Este mismo tipo de onda transmite el sonido a través de los cuerpos líquidos o sólidos.

En los cuerpos sólidos también se produce y transmite la onda transversal. En

ella, las partículas no oscilan según la dirección de propagación sino transversalmente a ella, por lo que también se denominan ondas de cizalladura. La onda de superficie, o de Rayleigh, se propaga solamente en la periferia plana o curva de un sólido “semiinfinito”, siguiendo las irregularidades de la superficie o contorno del mismo.

La más rápida de todas estas ondas en la longitudinal o de compresión. Para

un medio infinito, homogéneo, isótropo y elástico, la velocidad de la onda longitudinal viene dada por la expresión:




4

Por tanto, la estimación de la resistencia a compresión de un hormigón

utilizando la técnica de la velocidad de ultrasonidos, está basada en la relación existente entre la velocidad del impulso longitudinal y el módulo de elasticidad dinámico del hormigón, que a su vez está relacionado, como sabemos, con su resistencia a compresión.

Como el equipo de ultrasonidos solamente aprovecha el flanco delantero del

impulso ultrasónico que llega al transductor receptor, se mide la envolvente del tren de ondas (velocidad de propagación de grupo).

Los equipos de ensayo de hormigón mediante el método de ultrasonidos más

populares son el V-METER, producido en Estados Unidos, el PUNDIT fabricado en Reino Unido y el STEINKAMP fabricado en Alemania. Sus características son similares: tienen unas dimensiones de 20x12x18 cm y pesan alrededor de 3 kg y presentan digitalmente el tiempo de recorrido del impulso en una pantalla de cristal líquido.

El equipo Pundit, incorpora un selector de escala para trabajar con tiempos de recorrido entre 0 y 99,9 ys o entre 0 y 999,9 ys.

La emisión ultrasónica es producida por un transductor (emisor), que lleva

alojado en su interior un cristal piezoeléctrico. Una carga eléctrica aplicada sobre las caras polarizadas de este tipo de cristales, produce un desplazamiento mecánico que origina un impulso ultrasónico.

Un transductor similar (receptor), situado a una distancia conocida del emisor,

recibe la señal ultrasónica y convierte a su vez la energía mecánica en energía eléctrica de la misma frecuencia. La medida del tiempo de recorrido entre transductores está basada en la detección de las ondas de compresión en el receptor.




5

Ambos transductores han de estar perfectamente acoplados a la superficie del

hormigón, de modo que se cree una verdadera barrera acústica. Dependiendo de la textura de la superficie del hormigón ensayado, será necesario en algunos casos alisarla previamente en la zona de ensayo, y utilizar un material tipo vaselina, grasa consistente o jabón líquido, como acoplante. En otros casos, con texturas menos rugosas, será suficiente la utilización de un acoplante apropiado.

El equipo Pundint utilizado habitualmente para la medición de la velocidad del

impulso ultrasónico, es capaz de computar el tiempo de tránsito con una precisión de +/- 1%. La distancia entre palpadores (transductores), debe ser medida también con una precisión de +/- 1%. Esto puede acarrear alguna dificultad con longitudes de trayectoria superiores a 500 mm, pero no para distancias más cortas. En base a estos niveles de precisión en la medida del tiempo recorrido y la distancia entre palpadores, los fabricantes asignan una precisión de +/- 2% en la medición de la velocidad de tránsito.

Otra alternativa de transductores, para el caso de que el ensayo haya de

realizarse sobre superficies no planas o muy rugosas, es el transductor “exponencial” que permite el contacto puntual (no superficial) entre el palpador y la superficie del hormigón. Sin embargo, es mucho menos utilizado debido a la baja energía asociada a la pulsación ultrasónica producida en este caso, resultando un frente de ondas poco nítido y definido, por lo que su aplicación al ensayo de hormigones es muy limitada.

El único factor que requiere la selección de una u otra frecuencia de los

transductores que se han de utilizar, es el relativo a las dimensiones del elemento que se ensaya. Las dificultades aparecen cuando se trata de ensayar piezas de pequeñas dimensiones en las que el medio que han de recorrer las pulsaciones ultrasónicas no puede ser considerado como infinito. Esto ocurre cuando la dimensión lateral del elemento ensayado es menor que la longitud de onda, 1, del impulso generado.

La tabla 4.1, extraída de la normativa británica sobre ensayo del hormigón

mediante la técnica ultrasónica, presenta las dimensiones laterales mínimas del elemento que se ensaya, en función de la frecuencia de los transductores y de la velocidad del impulso ultrasónico en el hormigón.




6

A los efectos de su aplicación práctica, debe considerarse que si la mínima

dimensión lateral del elemento que se ensaya es inferior a 100 mm, deben de utilizarse unos transductores de frecuencia superior a 54 kHz, que es la frecuencia que tienen los transductores suministrados por el equipo Pundit. Para la “puesta a cero” los equipos suelen incluir una barra cilíndrica de acero de características conocidas, como pieza de tarado. El equipo debe de ser tarado antes, durante y al final de cada período de uso, según se menciona en las principales normativas y recomendaciones de uso de esta técnica. Respecto al posicionado de los transductores en el elemento de hormigón que se ensaya, se distinguen los tres casos siguientes:

a) Caras opuestas o enfrentadas (transmisión directa) b) Caras adyacentes (transmisión semidirecta) c) En un mismo plano superficial (transmisión superficial)

La figura 4.1 representa las diversas posiciones citadas. De ellas, la transmisión directa es la que transmite el impulso ultrasónico a través del hormigón con una mayor energía (para una determinada frecuencia) y por ello es la más precisa en la medición del tiempo y tránsito. En éste tipo de transmisión, la longitud de recorrido está bien definida y puede ser medida con la precisión requerida. Es por ello el tipo de transmisión que, en opinión de los investigadores de esta técnica, debe de utilizarse cuando se pretenda estimar la resistencia a compresión del hormigón.




7

La transmisión semidirecta puede ser utilizada de forma satisfactoria, sólo cuando el ángulo delimitado por la posición de los transductores no es muy grande y la distancia entre ambos es pequeña. La sensibilidad que proporciona este tipo de transmisión es bastante menor que la lograda con la transmisión directa, y si no se cumplen los requerimientos citados en el párrafo anterior, no se recibirá una señal clara y nítida en el transmisor receptor, debido a la gran atenuación que sufre el impulso. Asimismo, la longitud de la trayectoria está mucho menos definida en este caso, aunque puede tomarse de forma aproximada como la distancia rectilínea entre centros de transductores. La medida indirecta de la pulsación de ultrasonidos es la menos satisfactoria de las tres citadas. La amplitud de la señal que se recibe puede ser menor del 3% de la que se recibe en la transmisión directa. Ello es así, porque la señal que se recibe está influenciada por las desviaciones del tren de ondas del impulso. Por otra parte, la velocidad del impulso ultrasónico, en la transmisión indirecta, está afectada por las capas más superficiales del hormigón ensayado, que pueden no ser representativas del resto del hormigón de ese elemento. Además, la longitud de la trayectoria seguida por el flanco del impulso es desconocida. Con objeto de tener en cuenta esta falta de precisión en la medición de la longitud de la trayectoria, se utiliza en estos casos un procedimiento consistente en fijar en una posición determinada el palpador emisor e ir desplazando el receptor hacia unos puntos situados a distancias determinadas del emisor, según una línea radial presida. Los resultados del tiempo de tránsito son entonces llevados a un diagrama




8

distancias-tiempos, tomándose como valor para la velocidad e tránsito, la pendiente de la mejor recta de regresión encontrada para las parejas de valores obtenidas en el ensayo. Los principales campos de aplicación el método e los ultrasonidos son los siguientes:

a) Estudio de la uniformidad del hormigón en los distintos elementos estructurales que se ensayan, delimitando zonas con calidades diferentes.

b) Estimación de los cambios cualitativos en las propiedades del hormigón, a lo largo del tiempo.

c) Determinación el módulo de elasticidad dinámico y del coeficiente de Poisson del hormigón.

d) Detección de defectos, tales como coqueras, fisuras, grietas, etc. e) Estimación de la resistencia de hormigones.

Respecto a esta última aplicación, nuestra norma UNE 83308:1986 (54), indica

que se trata de una estimación orientativa, obteniéndose el valor de la resistencia si es posible establecer para cada hormigón ensayado una correlación fiable, bien extrayendo una serie de probetas testigo, o bien utilizando probetas moldeadas curadas en condiciones similares a las de la obra. Se añade en la norma que, en general, no es recomendable la predicción de la resistencia a compresión, partiendo únicamente de la velocidad de propagación de los ultrasonidos.

Los procedimientos investigados para deducir el módulo de elasticidad

dinámico en función de la velocidad ultrasónica, dada la relación existente entre aquel parámetro y la resistencia a compresión del hormigón pueden consultarse en la norma británica BS 1881 y RILEM Recommendation DT (55).

En las fotografías 4.1 y 4.2 puede verse un aparato de ultrasonidos y una

aplicación del mismo.




9




10

2.- FACTORES QUE AFECTAN AL ENSAYO. La filosofía que gobierna el ensayo del hormigón endurecido mediante ultrasonidos, está basada en la medición de la velocidad de propagación de un impulso ultrasónico a través de dicho material. Este parámetro está relacionado con las propiedades elásticas del hormigón que se ensaya, que están conectadas a su vez con sus parámetros resistentes y de densidad. Por lo general, es la velocidad de un impulso de ondas longitudinales la que se mide, por ser este tipo de ondas las que van asociadas a una mayor energía de impulso y, por tanto, las que proporcionan un frente de ondas bien definido que puede ser detectado con suficiente nitidez en el transmisor receptor. Los diversos factores que influencia los resultados que se obtienen con el ensayo de ultrasonidos en el hormigón van asociados por tanto a:

a) Tipo y composición del hormigón

- Tipo de hormigón (normal o ligero) - Tipo y dosificación de cemento - Tipo, dosificación y tamaño máximo del árido - Relación agua/cemento (A/C)

b) Factores relacionados con el tipo de pieza que s e investiga

- Tipo y dimensiones del elemento estructural o pieza que se ensaya. Posición de la zona ensayada en la pieza.

- Temperatura del hormigón - Edad del hormigón - Contenido de humedad del hormigón - Condiciones de curado del hormigón - Presencia de armaduras - Rugosidad de la superficie del elemento o pieza que se ensaya - Nivel tensional de la zona o elemento estructural ensayado

En lo que sigue, analizaremos someramente los aspectos más destacados relacionados con dichas variables.

2.1.- TIPO DE HORMIGÓN La mayoría de las investigaciones realizadas sobre las aplicaciones de los ultrasonidos en el hormigón, han estado basadas en ensayos sobre hormigones de densidad normal. Las referencias bibliográficas sobre la aplicación de la técnica ultrasónica a los hormigones ligeros son relativamente escasas.




11

Por otra parte, las aplicaciones estructurales a base de hormigones fabricados con áridos de bajo peso específico son cada vez más numerosas y, por ello, es interesante conocer las diferencias básicas de comportamiento del ensayo ultrasónico en hormigones normales y en hormigones ligeros. Las experiencias realizadas con hormigones fabricados con arcillas expandidas y otros áridos ligeros, han mostrado que cuando ha sido utilizada la técnica ultrasónica para estimar la resistencia a compresión de hormigones normales y ligeros, la resistencia de estos últimos, para una misma velocidad de tránsito, ha sido superior a la estimada para hormigones de densidad normal. Para niveles de resistencia a compresión similares, la velocidad de tránsito obtenida en hormigones ligeros fue siempre inferior a la de los hormigones normales. El mayor reagrupamiento de los resultados que se observa en hormigones ligeros, parece indicar que el contenido de humedad del hormigón ejerce una menor influencia sobre la velocidad de los ultrasonidos en este tipo de hormigones. 2.2.- TIPO Y DOSIFICACIÓN DE CEMENTO. El tiempo requerido para que las ondas de tipo sónico atraviesen un medio heterogéneo es la suma de los tiempos de tránsito a través de sus componentes individuales. La bibliografía publicada sobre la influencia que el tipo de cemento ejerce en la medida de la velocidad ultrasónica en el hormigón es relativamente escasa. Las normativas sobre ultrasonidos, hacen referencia a que el tipo y dosificación del cemento utilizado en la fabricación del hormigón, influye en los resultados de la velocidad de los ultrasonidos, pero en ninguno de estos documentos se cuantifica dicha influencia. 2.3.- TIPO, DOSIFICACIÓN TAMAÑO MÁXIMO DEL ARIDO. El ensayo con ultrasonidos no proporciona una estimación directa de la resistencia a compresión de un hormigón endurecido, debiéndose para ello establecer correlaciones entre los parámetros de resistencia y velocidad. Estas relaciones se verán alteradas por los componentes del hormigón, en particular por las propiedades del árido utilizado. El tipo y el tamaño máximo del árido influyen de modo considerable en la velocidad de los ultrasonidos que se obtiene, mientras que para una relación agua/cemento constante, su influencia en los valores de la resistencia a compresión es comparativamente mucho menor. Por tanto, se deben estudiar diferentes calibraciones entre los parámetros de resistencia y velocidad, para diferentes dosificaciones del árido grueso.




12

Los cambios en la dosificación de áridos en el hormigón tienen un efecto apreciable sobre la medida de la velocidad ultrasónica, mientras que afectan del mismo modo a su resistencia. Al ser la velocidad de los ultrasonidos sustancialmente mayor en la mayoría de los áridos naturales que en la pasta de mortero endurecida, existen diferentes correlaciones entre velocidad y resistencia para diferentes dosificaciones de árido en la mezcla. La figura 4.2 representa las diferentes velocidades del impulso ultrasónico que se obtienen para hormigones con iguales dosificaciones de cemento, áridos y agua, al variar el tipo de árido utilizado. Para un mismo nivel de resistencia a compresión, las velocidades de tránsito que se obtienen con hormigones fabricados con áridos silíceos son menores que las obtenidas con áridos graníticos o calizos. En general, para un determinado valor de la resistencia a compresión del hormigón, la velocidad de tránsito obtenida es inferior cuanto menor es la densidad del árido utilizado. Igualmente, puede establecerse que la velocidad el impulso ultrasónico aumenta a medida que lo hace el tamaño máximo del árido.




13

2.4.- RELACIÓN AGUA/CEMENTO. El efecto de la variación de la relación agua/cemento, sobre la velocidad de los ultrasonidos, va asociado con la edad del hormigón que se ensaya. A cortas edades (es decir, en las primeras horas o días) la influencia relativa de la cantidad de agua presente en el hormigón es superior a la que ejerce la calidad de la pasta endurecida, que está a pleno proceso de hidratación. A mayores edades, es más determinante la calidad de la pasta endurecida y el tipo y dosificación de áridos, que la propia relación A/C. 2.5.- TIPO Y DIMENSIONES DEL ELEMENTO ESTRUCTURAL O PIEZA QUE SE ENSAYA. POSICIÓN DE LA ZONA DE ENSAYO EN LA PIEZA. Las velocidades del impulso ultrasónico no se ven generalmente influenciadas por la longitud de la trayectoria siempre que ésta no sea excesivamente pequeña, en cuyo caso la naturaleza heterogénea del hormigón puede afectar de forma importante a la medida realizada. La norma UNE 83308:1986 recomienda por ello, que la longitud sea al menos cinco veces mayor que el tamaño máximo del árido. En este sentido, otras normas europeas contienen comentarios similares, recomendándose longitudes mínimas de trayectoria de 100 a 150 mm, para hormigones con 20 y 40 mm de tamaño máximo de árido, respectivamente. Las limitaciones físicas del equipo de medida del tiempo de tránsito que incorpora el aparato, pueden introducir también errores importantes cuando se trabaja en trayectorias cortas. Este posible efecto se muestra en la Figura 4.3, en la que se muestran los resultados de ensayos realizados en laboratorio sobre probetas en las que se iba reduciendo su longitud por medio de sucesivos cortes con sierra diamantada.




14

La posición de la zona de ensayo en el elemento estructural que se investiga, es también una variable a tener en cuenta en la medida de la velocidad del impulso ultrasónico. Cualquier cambio en la concentración de áridos en el hormigón, motivado por los efectos de la compactación, es debido casi enteramente al movimiento de las partículas más gruesas de árido, lo que puede justificar la reducción de velocidad que se obtiene en las partes altas de elementos hormigonados verticalmente, donde se acumula una mayor concentración de pasta de mortero endurecido, cuya velocidad de impulso ultrasónico es inferior a la de la mayoría de los áridos utilizados. 2.6.- TEMPERATURA DEL HORMIGÓN. Las variaciones de temperatura del hormigón comprendidas entre 5ºC 30ºC, no producen cambios significativos en las velocidades medidas. La norma UNE 83308:1986, indica que fuera de este intervalo de temperaturas, los resultados obtenidos cambian sin que necesariamente se hayan producido modificaciones paralelas en las propiedades del hormigón ensayado. Para temperaturas extremas, el efecto de variación de la velocidad del impulso ultrasónico puede ser estimado a partir de la tabla 4.2, tomada del BS 1881 que permite corregir la velocidad del impulso ultrasónico para temperaturas fuera del rango comprendido entre 5ºC y 30ºC.

Los resultados presentados en la citada tabla, están basados en los trabajos de Jones y Facaoaru, y han sido obtenidos a partir del ensayo de un solo tipo de hormigón, fabricado con cemento portland sin adiciones.




15

Según estos autores, la disminución de la velocidad del impulso ultrasónico es debida a la microfisuración interna asociada a altas temperaturas del hormigón. Por otra parte, la congelación del agua del hormigón a bajas temperaturas hace aumentar la velocidad, si no se produce un efecto destructivo en la masa. Igualmente, debe tenerse en cuenta que el incremento de temperatura del hormigón aumenta la desviación típica de la población de velocidades de impulso ultrasónico, respecto a los valores obtenidos inicialmente. 2.7.- EDAD DEL HORMIGÓN. El método de los ultrasonidos se muestra muy sensible para detectar los cambios que van produciéndose en la masa de hormigón durante las primeras horas y días después de su fabricación, es decir, durante el inicio y primer desarrollo del proceso de hidratación del cemento. Sin embargo, a medida que ese proceso va completándose, pequeñas variaciones de la velocidad del impulso ultrasónico pueden representar diferencias ostensibles en la resistencia a compresión del hormigón. Por este motivo, la aplicabilidad de este método para estimar la resistencia a compresión de hormigones con edades muy superiores a 28 días, resulta cuestionable, dado que en hormigones fabricados con cemento tipo portland, la velocidad del impulso ultrasónico aumenta muy lentamente a partir de los 90 días. Por tanto, la estimación de la evolución de las resistencias se hace más imprecisa. Para un valor determinado de la velocidad ultrasónica, la resistencia del hormigón es superior para hormigones de mayor edad. También es interesante observar cómo van aumentando las pendientes de estas curvas de correlación con la edad del hormigón, resultando que para un menor rango de velocidades, se obtienen variaciones más amplias en la resistencia. 2.8.- CONTENIDO DE HUMEDAD DEL HORMIGÓN. En general, la velocidad del impulso ultrasónico aumenta con el contenido de humedad del hormigón. Esta influencia es más acusada en hormigones de bajos niveles de resistencia. La velocidad ultrasónica en un hormigón saturado puede ser hasta un 5% superior que la obtenida en ese mismo hormigón en estado seco, aunque hay autores que cifran ese incremento en un 2%, aproximadamente. La norma UNE 83308:1986 indica que el contenido de humedad del hormigón ensayado tiene una ligera influencia sobre la velocidad, que puede llegar a ser, en hormigones con un elevado contenido de humedad, hasta un 5% mayor que en hormigones secos. Los efectos distintos que el contenido de humedad del hormigón produce sobre la velocidad ultrasónica y sobre su resistencia, revierten en una mayor dificultad para




16

establecer correlaciones válidas entre ambos parámetros. Estas correlaciones, pueden no se aplicables para determinados intervalos de la edad del hormigón, al variar su contenido en humedad con el tiempo. En una probeta húmeda se obtendrá un valor superior de la velocidad ultrasónica y un valor inferior de la resistencia a compresión que si se ensayara en estado seco, resultando entonces que con el proceso de “secado” del hormigón, se obtendrá menor valor de la velocidad, para un determinado nivel de resistencia. Este efecto conduce a la necesidad de que las calibraciones obtenidas entre velocidad de los ultrasonidos y resistencia, estén basadas en ensayos realizados sobre probetas o piezas con contenidos de humedad similares al hormigón de la estructura. El contenido de humedad del hormigón tiene dos efectos sobre la velocidad ultrasónica, uno de orden físico y otro químico. Muchas de las diferencias de velocidad que se obtienen, son debidas a los efectos que las diferentes condiciones de curado ejercen sobre la hidratación del cemento, mientras que otra parte menor de esas diferencias, son debidas a la presencia de agua libre en los poros. Ambos efectos han de ser cuidadosamente considerados cuando se estime la resistencia a compresión. 2.9.- CONDICIONES DE CURADO DEL HORMIGÓN. No es fácil establecer una relación lógica entre la velocidad de los ultrasonidos con la temperatura de curado, y por tanto, con la madurez del hormigón. Ensayos realizados al respecto demuestran que se obtienen correlaciones diferentes para un mismo hormigón curado en condiciones de laboratorio y obra, o entre probetas testigo extraídas de pilares fabricados con dicho hormigón, lo que conduce a la necesidad de obtener correlaciones diferenciadas en cada caso. 2.10.- PRESENCIA DE ARMADURAS. La velocidad de la pulsación ultrasónica que se mide en piezas de hormigón armado en la proximidad de las armaduras, es generalmente superior a la que se obtiene en ese mismo hormigón cuando la trayectoria del impulso no está influenciada por el acero. Esto es debido a que la velocidad de los ultrasonidos en el acero es, aproximadamente, dos veces la que se obtiene en el hormigón en masa. Cuando se realiza una medición en la proximidad de armaduras, parte del frente del impulso que llega al transductor receptor ha viajado por el hormigón y parte por el acero. El aparente incremento de velocidad que se detecta en estos casos, depende de la proximidad de los puntos de medida a las armaduras, del diámetro de las mismas y de su orientación con respecto a la dirección de propagación.




17

A efectos prácticos, si existe armadura en el elemento estructural que se ensaya con ultrasonidos, debe replantearse su posición con detección magnética (tipo Pachómetro), para evitar, en la medida de lo posible, que las trayectorias el impulso ultrasónico se produzcan en sus cercanías. En la fotografía 4.3 se presenta una sonda magnética.

Este hecho puede ser importante, no sólo por las incertidumbres que rodean a las medidas de velocidad que se obtienen en estos casos, sino porque pueden no ser representativas del hormigón ensayado, al atravesar el impulso zonas de compactación defectuosa, producida por acumulación de armaduras. Existen dos casos fundamentales a considerar, en relación con la influencia de las armaduras sobre las medidas de la velocidad ultrasónica:

a) Armadura paralela a la dirección de la trayectoria. b) Armadura situada transversalmente a la dirección de la trayectoria.

2.10.1.- Armadura paralela a la dirección de la trayectoria. Si en la proximidad de la zona donde va a efectuarse el ensayo, existe armadura colocada paralelamente a la dirección de la trayectoria del impulso ultrasónico, los valores medidos de la velocidad deberán ser corregidos al objeto de tener en cuenta la línea correspondiente a la trayectoria del impulso y el eje de la barra de acero más próxima, del diámetro de la barra y de la velocidad ultrasónica del hormigón situado en las inmediaciones de la armadura.




18

Ha sido demostrado que el primer componente del impulso ultrasónico en llegar al transductor receptor viajará parcialmente a través del acero de armar, si la relación a/L (figura 4.4) es tal que:




19

La utilización del factor de corrección en esta forma, requiere una estimación lo más precisa posible de Vs. J.H. Bungey señala que para barras de acero de armar aisladas, la velocidad obtenida ha sido de alrededor de 5,7 km/s para diámetros de 30 mm o superiores, reduciéndose de forma lineal hasta valores cercanos a 5,5 km/s, para barras de 6 mm de diámetro.

Si el valor de a es muy pequeño, puede comprobarse que el camino más rápido

seguido por la trayectoria del impulso, incluirá el conjunto de la barra de acero. En este caso, la velocidad ultrasónica Vc en el hormigón vendrá dada por la expresión:

Siendo Ls la longitud de la barra en cuestión y c el recubrimiento de la armadura (ambos parámetros en mm). La transición entre las expresiones [4.5] y [4.6] puede ser obtenida evaluando la distancia x existente entre la superficie del hormigón y el punto de la barra en el que se incorpora a la misma la trayectoria seguida por el impulso ultrasónico. Es notorio comprobar que para cualquier diámetro de la barra, la influencia de la corrección es menor a medida que la calidad del hormigón mejora (mayores Vc). 2.10.2.- Armadura situada transversalmente a la dirección de la trayectoria. La influencia máxima de la presencia de armaduras, puede ser teóricamente calculada asumiendo que el frente del impulso ultrasónico atraviesa la totalidad del diámetro de las barras transversales, situadas en la dirección de la trayectoria. En este sentido Bungey obtiene comportamientos similares a las armaduras situadas paralelamente a la trayectoria, pero detecta que la influencia del acero sobre el parámetro g=Vc/Vs es mucho menor. Puede comprobarse que, a efectos prácticos, para diámetros iguales o inferiores a 20 mm y velocidades del orden de 4 km/s en el hormigón, la influencia es muy pequeña y puede ser obviada.




20

2.11.- RUGOSIDAD DE LA SUPERFICIE DEL ELEMENTO O PIEZA QUE SE ENSAYA. La normativa UN· 83308:1986, también hace referencia a que la superficie de ensayo debe de ser lo más lisa posible para facilitar un buen contacto entre el palpador y la superficie ensayada, a través del acoplante. Por ello, se elegirán preferiblemente zonas que hayan sido encofradas. Cuando la superficie del hormigón es muy rugosa, se señala en nuestra normativa que deberá ser tratada con piedra abrasiva o rellenada con un mínimo espesor de material adecuado (yeso, mortero de cemento o resina epoxi), hasta conseguir una superficie plana. Como alternativa, en el caso de tener que trabajar con superficies muy rugosas, se recomienda que se tomen las medidas del tiempo de tránsito sobre longitudes de trayectoria superiores a las normalmente utilizadas. A tal efecto, son recomendables longitudes mínimas de recorrido para superficies no encofradas de 150 mm en el caso de transmisión directa y de 400 mm para transmisión superficial. Son acoplantes típicos la vaselina, jabón líquido o pasta de glicerol. 2.12.- NIVEL TENSIONAL DE LA ZONA O ELEMENTO ESTRUCTURAL ENSAYADO. Está generalmente aceptado que la velocidad de impulso ultrasónico, obtenida en laboratorio sobre probetas cúbicas, no está significativamente afectada hasta niveles tensiónales del orden del 50% de su resistencia a compresión. Para niveles tensiónales superiores, la aparente reducción de velocidad del impulso está motivada por la formación de microfisuras internas, que hacen cambiar la longitud y el ancho de la trayectoria. En condiciones de servicio, cuando las tensiones el hormigón no exceden normalmente del 33% de la tensión de agotamiento, la influencia del estado tensional sobre la velocidad es insignificante y por tanto, la técnica puede ser utilizada con confianza. Sólo si el elemento estructural que se ensaya, ha estado sometido en su historia a niveles tensiónales que puedan ser considerados bastante elevados, pueden verse afectadas las lecturas obtenidas. Con niveles de compresión comprendidos entre el 50% y el 60% de la carga de rotura, Delibes obtiene unas pérdidas de velocidad ultrasónica comprendidas entre el 0,54% y el 1,22%, dependiendo del tipo de árido utilizado en la fabricación del hormigón. Por otra parte, indica el autor que la duración de la carga no afectó al resultado, obteniéndose una baja media de la velocidad del 0,9%. Cabe pues deducir, una sensibilidad muy pequeña de los ultrasonidos para cargas inferiores al 65% de la rotura por compresión que es el nivel correspondiente a lo que Delibes define como “estabilización del daño”.




21

3.- ESTIMACIÓN DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN. RELA CIONES VELOCIDAD ULTRASÓNICA-RESISTENCIA A COMPRESIÓN DEL HORMIGÓN. La estimación de la resistencia a compresión a partir de la velocidad ultrasónica medida en el hormigón que se ensaya es, sin duda, la aplicación más controvertida de ésta técnica. Puede afirmarse que existen consenso general, respecto a que una estimación de la resistencia realizada directamente a partir de los valores obtenidos para la velocidad ultrasónica, es decir, sin la obtención de una calibración específica para el hormigón ensayado, carece de rigor y conllevará imprecisiones de importancia. Por otro lado, el problema de la estimación suficientemente precisa de la resistencia a compresión a partir de las lecturas ultrasónicas, no queda totalmente solucionado con el ajuste estadístico de correlaciones entre los valores de resistencia y velocidad. En efecto, estos ajustes están afectados por diversos factores relacionados con el tipo y composición del hormigón, edad, contenido de humedad, condiciones de curado, armaduras, etc., que conducen a que sea preciso tomar determinadas precauciones al intentar referir diversos hormigones a una calibración determinada. El árido grueso puede variar en cuanto a su tipo, forma, tamaño y cantidad, mientras que el tipo de cemento, tipo de arena, relación agua/cemento y edad del hormigón, son factores importantes que condicionan las propiedades de la matriz cementada y por tanto, las correlaciones que se obtienen. La correlación obtenida entre velocidad y resistencia a compresión de un hormigón determinado, para diferentes grados de madurez, será diferente al ajuste obtenido al variar la relación agua/cemento, pero ensayando con grados de madurez comparables. También se deducirán calibraciones diferentes al variar el tipo de árido y sus proporciones en la mezcla, así como las características del cemento utilizado, estableciéndose, además, la diferenciación entre que las correlaciones sean obtenidas sobre probetas moldeadas o probetas testigo extraídas de la estructura Igualmente, se detecta una opinión consensuada respecto a la no aplicabilidad, al hormigón colocado in situ, de las correlaciones obtenidas sobre probetas moldeadas. Las razones parecen obvias: las diferentes condiciones de colocación, compactación, curado, relación árido/cemento en determinadas zonas del elemento estructural, tratándose de hormigones de la misma composición. A este mismo aspecto hace referencia BS 1881, indicando que la experiencia ha demostrado que la utilización de correlaciones obtenidas en base a ensayos sobre probetas moldeadas, para estimar la resistencia in situ del hormigón, proporcionarán generalmente valores menores de resistencia que los que se obtendrían en el mismo




22

punto donde se tomó la lectura ultrasónica. Todas las cuestiones planteadas en los párrafos anteriores, parecen aún más objetables cuando se aplica el método de los ultrasonidos a hormigones con niveles altos de resistencia, como sería el caso de las piezas pretensazas. Las correlaciones resistencia a compresión-velocidad ultrasónica, obtenidas para este tipo de hormigones, pueden ser menos fiables a medida que aumenta el nivel de resistencia. La escasa sensibilidad del método para detectar cambios sustanciales de resistencia, limita las posibilidades de los ensayos ultrasónicos para predecir dichos incrementos de resistencia, e incluso es un serio obstáculo para una confiable aplicación de los ultrasonidos en el estudio de la uniformidad de este tipo de hormigones. Para evitar esta falta de concordancia entre las correlaciones obtenidas sobre probetas en condiciones de laboratorio y los valores de velocidad ultrasónica y resistencia que se encuentran en la estructura, cuando sea posible, las lecturas con ultrasonidos deben ser obtenidas en los puntos de la estructura de donde vayan a extraerse los testigos. Sin embargo, las correlaciones resistencia-velocidad que se establecen en base al ensayo de probetas testigo tomadas de la estructura, adolecen del inconveniente de que conducen a la obtención de correlaciones en las que su campo de validez (y por tanto el intervalo en el que el error está acotado), agrupe a rangos de resistencia muy cortos. La norma BS 1881 y las Recomendaciones RILEM, apuntan hacia la realización de un sondeo ultrasónico previo en la zona estructural a ensayar, al objeto de localizar zonas con diferentes calidades de hormigón. Al extraer testigos de esas zonas diferenciadas, puede mejorarse el rango de resistencias obtenido. Como expresiones analíticas más usuales para las correlaciones que se obtienen entre la resistencia del hormigón y la velocidad del impulso ultrasónico, las Recomendaciones RILEM NDT 1 señalan que las más utilizadas son:




23

La aproximación que se logra en la estimación de la resistencia a compresión a partir de éstas expresiones, depende, según RILEM, de si se conoce o no la composición del hormigón que se investiga y de si pueden obtenerse o no un mínimo de tres probetas testigo de la estructura. 4.- NIVELES DE PRECISIÓN ESPERABLES. Puede afirmarse que existe una opinión consensuada, respecto a que el nivel de precisión que proporciona el método en los ultrasonidos para estimar la resistencia a compresión del hormigón, si sitúa entre el +/-15% al +/-25%, siendo el valor medio de este intervalo +/-20%, el nivel que con mayor profusión se atribuye al método Sin embargo, la gran mayoría de los autores destacan la diferencia que existe entre que los ajustes resistencia-velocidad se establezcan en condiciones de laboratorio, o en base a ensayos realizados sobre el hormigón in situ. En el primer caso, se obtendrán niveles de precisión superiores, del orden de +/-10% al +/-15%, pero numerosos autores llaman la atención sobre la escasa fiabilidad que se obtiene en la aplicación de estas correlaciones cuando se pretende estimar in situ la resistencia del hormigón. La norma británica BS 6089, señala que la precisión de los valores estimados para la resistencia del hormigón, depende primordialmente de la validez del ajuste establecido entre R y v, más que del número de ensayos realizados. Confiere una precisión al método de +/-20%, cuando el hormigón procede de una localización determinada y la correlación entre resistencia y velocidad se ha obtenido para un hormigón específico. Advierte que las correlaciones basadas en el ensayo de probetas testigo extraídas de la estructura, suelen estar basadas en un número de resultados muy limitado, obteniéndose intervalos de validez ajustados que redundarán en una




24

disminución de la precisión en la estimación de resistencia, si se obtienen los valores estimados fuera del campo de validez. 5.- INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS. El procedimiento es análogo al expresado para el caso de la interpretación de resultados del reconocimiento esclerométrico. En este caso, sin embargo, debemos tener en cuenta que la relación entre la velocidad de pulsación y el módulo de elasticidad dinámico de un medio elástico no es lineal, sino cuadrática, y es asimismo cuadrática la relación entre el módulo de deformación y la resistencia a compresión del hormigón. No podremos, pues, admitir una relación lineal entre resistencias a compresión y velocidades de pulsación, ni siquiera con intervalos reducidos de variación de la resistencia. Por ello, deberemos utilizar otro tipo de regresión, por ejemplo la regresión potencial, o bien postular un valor para el exponente α distinto de 1. El problema estriba en que el hormigón no constituye un medio homogéneo y además de su módulo de elasticidad dinámico y su módulo de deformación estático no están relacionados por una función de validez universal. Por otra parte, los instrumentos de medida no determinan directamente la velocidad de pulsación, sino el tiempo de paso entre el emisor y el receptor, y la distancia entre ambos, en línea recta, puede no coincidir con la trayectoria real de la onda, especialmente si ésta se ve obligada a contornear microfisuras, poros o coqueras internas en su recorrido. Aunque con grandes limitaciones, podemos utilizar un valor de α comprendido entre 3 y 5, dando muy buenos resultados, por lo general, admitir α=4. Debemos tener muy en cuenta que la asunción anterior supone que la resistencia a compresión sería función, aproximadamente, de la cuarte potencia de la velocidad de propagación, por lo que pequeñas desviaciones en la determinación de dicha velocidad se traducen en graves impresiones en la estimación de la resistencia a compresión. Por lo demás, todo lo indicado sobre el tratamiento estadístico de los resultados obtenidos es de aplicación también a la interpretación de los resultados de la auscultación ultrasónica, teniendo en cuenta, como hemos apuntado repetidamente, que los valores a comparar son la cuarta potencia de la velocidad de pulsación.




25

6.- ESTIMACIÓN DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN MEDIA NTE EL METODO COMBINADO INDICE DE REBOTE-VELOCIDAD DEL IMPULSO UL TRASÓNICO. Con objeto de aumentar la precisión en la estimación in situ de la resistencia a compresión del hormigón, mediante la realización de ensayos no destructivos, algunos investigadores han considerado la aplicación simultánea de más de una técnica. A este procedimiento se le conoce como “método combinado”. En la actualidad, el método combinado más utilizado es el que relaciona el índice de rebote esclerométrico, la velocidad del impulso ultrasónico y la resistencia a compresión del hormigón. Es a esta combinación de ensayos, a la que nos referimos en lo sucesivo la hablar de método combinado. El método ha sido ampliamente experimentado en Rumania y algunos países de Europa Oriental y más recientemente ha sido estudiada su aplicación específica en países como Italia, Holanda y España. Su rápida divulgación y el alto nivel de aceptación que ha obtenido en pocos años (que ha conducido a que sea incluido o mencionado en la normativa sobre ensayos no destructivos de algunos países), está basado en el potencial aumento del nivel de precisión que se obtiene en la estimación in situ de la resistencia del hormigón, frente a la utilización del método de la dureza superficial o ultrasónico, utilizados aisladamente. No obstante, existen opiniones que señalan que el método combinado adolece del inconveniente de que no es posible obtener una correlación múltiple que sea válida para todos los hormigones. Por ello, prefieren combinar estos dos ensayos no destructivos (rebote y velocidad ultrasónica) mediante un procedimiento menos estructurado, es decir, utilizarlos de forma aislada para comprobar que con ninguna de las dos técnicas se obtienen indicaciones de un error significativo en la estimación de la resistencia. Una posible explicación al alto grado de aceptación que ha alcanzado el método combinado resistencia-rebote-ultrasonidos, hay que buscarla en el hecho de que el método permite eliminar o disminuir de modo apreciable la influencia de algunos parámetros “distorsionantes”, que alteran las correlaciones, como son el grado de madurez y el contenido de humedad del hormigón y en menor grado, el tipo de árido y el tipo y dosificación de cemento. Por ello, los niveles de precisión que se obtienen al estimar la resistencia del hormigón con este método, son superiores a los que se obtienen utilizando las técnicas de dureza superficial (rebote) o ultrasonidos, de forma aislada.

ultrasonidos en hormigon

Documents