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• Marcela Morales Camacho

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Pruebas del concreto endurecido Las propiedades del concreto son una función del tiempo y de la humedad del ambiente, y esta es la razón de que, con el objeto de que sean de valor, tengan que realizarse pruebas al concreto en condiciones específicas o conocidas. Pueden hacerse pruebas para diferentes propósitos, pero los dos objetivos principales de una prueba son el control de calidad y el cumplimiento con las especificaciones. Pueden efectuarse pruebas adicionales para propósitos específicos, por ejemplo pruebas de resistencia a la compresión. Las pruebas pueden clasificarse de manera general en pruebas mecánicas destructivas y pruebas no destructivas las cuales permiten pruebas repetidas del mismo espécimen y de esta manera hacen posible un estudio del cambio en las propiedades con el tiempo. Pruebas para resistencia a la compresión Es la más común de todas las pruebas sobre concreto endurecido, en parte porque es fácil de practicarse, y en parte porque muchas de las características deseables del concreto están relacionadas cualitativamente con su resistencia. Los resultados de las pruebas de resistencia pueden ser afectados por variaciones en el tipo de espécimen de prueba, tamaño del espécimen, tipo de molde, curado, preparación de la superficie, rigidez de la máquina de pruebas y la rapidez de la aplicación del esfuerzo. Las pruebas de resistencia a la compresión de especímenes tratados de manera normal, las cuales incluyen compactación completa y curado húmedo durante un período especificado, arrojan resultados que representan la cualidad potencial del concreto. Los especímenes estandarizados se prueban a edades prescritas, generalmente 28 días, con pruebas adicionales hechas con frecuencia a 3 y 7 días. Se utilizan dos tipos de especímenes de pruebas de compresión: cubos y cilindros. Prueba de cubos Los especímenes son colados en moldes de acero a de hierro colado de construcción sólida, generalmente cubos de 150 mm, que deberán estar en conformidad con las reducidas tolerancias de la forma cúbica, las dimensiones y superficies planas prescritas. El molde y su base deben fijarse uno al otro con abrazaderas durante el colado a fin de prevenir fugas del mortero. Antes de ensamblar el molde, habrá que cubrir sus superficies acoplantes con aceite mineral, y se deberá aplicar una delgada capa de aceite similar en las superficies internas del molde a fin de prevenir el desarrollo de adherencia entre el molde y el concreto. La práctica normalizada es llenar el molde en tres capas. Cada capa se compacta por medio de un martillo vibratorio, utilizando una mesa vibratoria, o mediante no menos de 35 golpes con una varilla de acero cuadrada de 25 mm. El apisonado deberá continuarse hasta que el

concreto del cubo esté completamente compactado si el resultado de la prueba debe ser representativo de las propiedades del concreto completamente compactado. El cubo se almacena en reposo durante 24 horas a una temperatura de 20,5 oC y a una humedad relativa de no menos de 90 por ciento. Al final de este período, se desmolda y posteriormente el cubo se cura todavía más en agua a 20 ± 2 oC. En la prueba de compresión, el cubo, aún húmedo, es colocado con las caras coladas en contacto con las platinas de la máquina de pruebas. La carga sobre el cubo deberá aplicarse a una rapidez constante de esfuerzo entre 0,2 y 0,4 Mpa/segundo. Prueba de cilindros El cilindro normalmente es de 15 cm de diámetro por 30 cm de largo. Los cilindros son colados en un molde generalmente hecho de acero o hierro colado, con una base sujeta con abrazaderas; también se permite el empleo de moldes desechables de un solo uso, hechos de plástico, placa de acero y cartulina tratada. El método para hacer cilindros de prueba es similar al utilizado con cubos. Las pruebas de un cilindro en compresión requieren que la superficie superior del cilindro esté en contacto con la platina de la máquina de pruebas. Prueba de cubos equivalentes Algunas veces, la resistencia a la compresión del concreto se determina utilizando partes de una viga probada a flexión. Las partes restantes de tal viga se dejan intactas después de la falla a flexión, y puesto que la viga es normalmente de una sección transversal cuadrada, puede obtenerse un cubo equivalente o modificado al aplicar la carga a través de placas de acero cuadradas, del mismo tamaño que el área transversal de la viga. Falla de especímenes a compresión La prueba de compresión impone un sistema un poco más complejo de esfuerzo, con el desarrollo de fuerzas tangenciales entre las superficies extremas del espécimen de concreto y las platinas de acero adyacentes de la máquina de pruebas. En cada material, la compresión vertical en acción da por resultado una expansión lateral ocasionada por el efecto de la relación de Poisson. La platina restringe la expansión lateral del concreto en las partes del espécimen cercanas a sus extremos. Cuando se elimina la fricción, es decir, al aplicar una capa de grafito o de cera de parafina a las superficies de apoyo, el espécimen exhibe una expansión lateral grande y finalmente se separa longitudinalmente. En condiciones normales de prueba, un elemento dentro del espécimen es sujeto a un esfuerzo cortante así como a compresión. La magnitud del esfuerzo cortante disminuye, y la expansión lateral aumenta, con un incremento de distancia desde la platina.

Cuando un esfuerzo cortante actúa junto con la compresión uniaxial, la falla se demora, y puede por lo tanto inferirse que no es el esfuerzo principal de compresión el que induce al agrietamiento y falla sino probablemente la deformación a tensión lateral. La deformación lateral es inducida por el efecto de la relación de Poisson. Se ha observado separación por tensión vertical en numerosas pruebas en cilindros, particularmente en especímenes de alta resistencia hechos de mortero o de pasta de cemento puro, y también en concreto con infiltración de azufre. El efecto es menos común en concreto ordinario cuando hay presencia de agregado grueso porque este proporciona continuidad lateral. Comparación de resistencias de cubos y cilindros El efecto restringente de las platinas de la máquina de pruebas se extiende a lo largo de toda la altura de un cubo pero deja sin afectar una parte del cilindro de prueba. Por lo tanto, es de esperarse que las resistencias de cubos y cilindros hechos del mismo concreto difieran una de la otra. Se ha hallado que factores como la condición de humedad del espécimen en el momento de la prueba, también afectan la relación de resistencias de los dos tipos de especímenes. Es difícil decir qué tipo de espécimen, cilindro o cubo, es mejor, pero parece haber una tendencia a utilizar cilindros más que cubos. Se cree que los cilindros dan una mayor uniformidad de resultados para especímenes nominalmente similares porque su falla es menos afectada por la restricción de extremos del espécimen; las propiedades del agregado grueso utilizado en la mezcla influyen menos en su resistencia y la distribución de esfuerzos en planos horizontales en un cilindro es más uniforme que en un espécimen de sección transversal cuadrada. Pruebas para resistencia en tensión Aunque normalmente el concreto no se diseña para resistir tensión directa, es valioso el conocimiento de la resistencia a la tensión al estimar la carga bajo la cual se desarrollará el agrietamiento. Los problemas de agrietamiento se presentan cuando se desarrolla tensión diagonal por medio de esfuerzos cortantes, pero el caso más frecuente de agrietamiento es causado por contracción restringida y por gradientes de temperatura. Hay tres tipos de prueba para resistencia en tensión: prueba de tensión directa, prueba de flexión y prueba de tensión indirecta. Pruebas de resistencia en flexión Una simple viga de concreto (sin refuerzo) se sujeta a flexión usando carga de dos puntos y simétrica hasta que ocurre la falla. Puesto que los puntos de carga están esparcidos a un tercio del claro libre, la prueba es llamada prueba de carga en los tercios. El esfuerzo a tensión

máximo teórico alcanzado en la fibra inferior de la viga de prueba es conocido como módulo de ruptura. Si ocurre la fractura dentro del tercio central de la viga, el módulo de ruptura se calcula sobre la base de la teoría elástica ordinaria, y es entonces igual a:

donde:

La prueba de flexión no es conveniente para propósitos de control o de cumplimiento porque los especímenes de prueba son pesados y se dañan fácilmente, el resultado de la prueba de flexión es afectado de manera importante por las condiciones de humedad del espécimen y la variabilidad del módulo de ruptura es grande. Corazones de prueba Si se halla que la resistencia de los especímenes de prueba a compresión axial está bajo el valor especificado, entonces, o bien el concreto de la estructura real tiene también muy baja resistencia, o bien los especímenes no son verdaderamente representativos del concreto de la estructura. Con frecuencia la disputa se resuelve mediante la prueba de un corazón de concreto tomado de un miembro de cuya resistencia se duda. Los corazones también se pueden cortar con el objeto de determinar la resistencia real del concreto de la estructura. La selección de la localización de los corazones también depende del propósito de la prueba. Esta puede ser: estimar la resistencia de una parte crítica de una estructura, o de una parte que se sospecha que ha sido dañada, por ejemplo, por congelación; o alternativamente para estimar un valor representativo para la estructura entera, en cuyo caso es apropiada una selección al azar de las localizaciones. Los corazones también pueden utilizarse para descubrir segregación por acumulación de agregado o para verificar la adherencia de las juntas de construcción o para verificar el espesor del pavimento. Los corazones se cortan por medio de una herramienta giratoria de corte con broca de diamante. De esta manera se obtiene un espécimen cilíndrico, que contiene algunas veces fragmentos empotrados de acero de refuerzo, y que tiene normalmente superficies terminales que están lejos de ser planas y a escuadra. El corazón deberá ser remojado en agua, recubierto y probado a compresión en una condición de humedad óptima.

Uso de corazones pequeños Las normas especifican un diámetro mínimo de 100 mm, con el requisito de que el diámetro sea al menos tres veces el tamaño máximo del agregado. No obstante, existen circunstancias en las que solamente pueden extraerse corazones muy pequeños, ya sea por causa del riesgo de daño estructural, por causa de la congestión del acero de refuerzo o por valores estéticos. En dichos casos se emplean corazones de 50 mm de diámetro. Estos corazones pueden violar el requerimiento de una relación mínima del diámetro con respecto al tamaño del agregado, y la operación de extracción puede afectar la adherencia entre el agregado y la pasta de cemento endurecido circundante. En vista de los numerosos factores que influyen sobre la resistencia de los corazones, en comparación con la uniformidad relativa de colado de especímenes estándar de prueba a compresión, no se considera que sea importante el efecto del tamaño del corazón. Prueba del cilindro colado en el lugar Algunas veces es necesario valorar la resistencia del concreto en la estructura real, por ejemplo, con el objeto de decidir sobre el momento de descimbrar, la aplicación del presfuerzo, o someter la estructura a carga. También se puede querer valorar la efectividad del curado o de la protección contra la congelación. Un medio para obtener la información necesaria es a través del empleo de especímenes de cilindros colados en el lugar, los cuales se hacen en moldes desprendibles. Estos moldes especiales son asegurados en soportes tubulares dentro de la cimbra de la estructura antes de colar el concreto. Este método de prueba está limitado a utilizarse en losas con una profundidad de 12,5 a 30 cm. El molde se llena durante el colado del concreto en la cimbra de la losa. Así, las condiciones de curado y de temperatura del espécimen y de la losa son similares. No obstante, la compactación del concreto en el molde no es idéntica a la compactación del concreto en la estructura real. Prueba de curado acelerado Se basa en acelerar el desarrollo de resistencia de los especímenes normales de prueba a compresión mediante una elevación de la temperatura del espécimen de concreto, sin permitir que éste pierda agua. Hay cuatro métodos de prueba utilizando curado acelerado. Método A: la elevación de la temperatura se debe al calor de hidratación del cemento, siendo la función primaria del baño de agua conservar ese calor. Método B: hay un ingreso adicional de calor proveniente del baño de agua hirviendo. Método C: el curado ocurre en condiciones adiabáticas, siendo colocado el espécimen sellado en un recipiente aislante.

Método D: se utiliza un recipiente con presión elevada hasta 10,3 MPa a una temperatura de 149 oC. Este método requiere equipo especializado. Los métodos de prueba de curado acelerado también pueden emplearse para la detrminación de resistencias a la flexión y a la tensión indirecta. Pruebas no destructivas Se han desarrollado una amplia gama de pruebas in situ, conocidas como pruebas en el lugar. Éstas son llamadas tradicionalmente pruebas no destructivas, entendiéndose que pueden entrañar algún daño menor de la estructura, pese a lo cual su comportamiento o apariencia no deberá deteriorarse. Una característica importante de las pruebas no destructivas es que permiten volver a probar en la misma, a casi la misma localización para que los cambios con el tiempo se puedan revisar y regular. El empleo de pruebas no destructivas conduce a mayor seguridad y permite mejorar programación de la construcción, haciendo así posible su progreso de manera más rápida y más económica. En términos generales, estas pruebas pueden ser catalogadas dentro de las que valoran la resistencia del concreto in situ, y de aquellas que determinan otras características del concreto, tales como cavidades, defectos, grietas y deterioro. Con respecto a la resistencia, deberá notarse que ésta solo puede valorarse, y no medirse, porque las pruebas no destructivas son, en su mayor parte, comparativas en esencia. Prueba del martillo de rebote Es una de las pruebas no destructivas más antigua y aún es ampliamente utilizada. También se le conoce como prueba del martillo de Schmidt, o esclerómetro. La dureza medida por el martillo de rebote es muy diferente de la dureza determinada en pruebas en metales. La prueba se basa en el principio de que el rebote de una masa elástica depende de la dureza de la superficie contra la cual golpea la masa. Sin embargo, a pesar de su aparente simplicidad, la prueba del martillo de rebote comprende problemas complejos de impacto y la propagación de la onda de esfuerzo asociada. En la prueba del martillo de rebote una masa con carga de resorte tiene una cantidad fija de energía que se consigue mediante la extensión del resorte a una posición fija; esto se logra al prensar el émbolo contra la superficie del concreto sujeto a prueba. Al soltarlo, la masa rebota del émbolo, todavía en contacto con la superficie de concreto, y la distancia recorrida por la masa, expresada como un porcentaje de la extensión inicial del resorte, se llama número de rebote. Este número es indicado por un cursor que se mueve a lo largo de una escala graduada. Algunos modelos de martilla dan los resultados de la prueba en una hoja impresa. El número de rebote es una medida arbitraria porque depende de la energía almacenada en el resorte dado y del tamaño de la masa. El martillo tiene que ser utilizado contra una superficie lisa, preferiblemente una superficie moldeada. Por lo tanto, el concreto de textura gruesa no puede ser probado. Las superficies aplanadas se deberán alisar

por frotación utilizando piedra de carborundo. Si el concreto sujeto a prueba no forma parte de una masa más grande, tiene que ser sujetado de manera firme, ya que las sacudidas durante la prueba darían por resultado una reducción del número de rebote registrado. La prueba es sensible a las variaciones locales en el concreto. La energía absorbida por el concreto está relacionada tanto con la resistencia como con su rigidez, de manera que la combinación de resistencia rigidez son las que rigen el número de rebote. La prueba del martillo de rebote mide únicamente las propiedades de la zona superficial del concreto, la profundidad de esta zona es de alrededor de 3 cm. Una aplicación particular de la prueba del martillo de rebote es la de valorar la resistencia a la abrasión de pisos de concreto, la cual depende de manera importante de la dureza de la superficie.

Prueba de resistencia a la penetración La determinación de la resistencia del concreto a la penetración por medio de una varilla de acero, o sonda, impulsada por una cantidad fija de energía, puede utilizarse para valorar la resistencia del concreto a la compresión. El principio fundamental es que, para condiciones normales de prueba, la profundidad de penetración es inversamente proporcional a la resistencia a la compresión del concreto. La relación entre la resistencia y la profundidad de penetración depende de manera importante de la dureza del agregado porque las partículas gruesas de agregado llegan a fracturarse en las pruebas de penetración, a diferencia de la prueba de compresión. No es la profundidad real de penetración, sino la longitud expuesta complementaria de una sonda, la que se mide. Las sondas de penetración son impulsadas en juegas de tres, siendo el valor promedio utilizado como resultado de la prueba. La prueba tiene algunas ventajas sobre la prueba del martillo de rebote porque se prueba una mayor profundidad del concreto. También el número de pruebas requeridas para identificar, con seguridad adecuada, una diferencia dada de resistencia es menor que cuando se utiliza la prueba del martillo de rebote. Sin embargo, el costo de la prueba de resistencia a la penetración es mucho más alto. Prueba de extracción Es una prueba que mide, por medio de un gato de tensión especial, la fuerza requerida para extraer un inserto de metal colado previamente con un extremo agrandado. El inserto se saca con un trozo de concreto, aproximadamente en forma de cono. Esta forma es consecuencia de la geometría del inserto junto con el anillo de apoyo. Para una geometría dada, la fuerza de extracción se relaciona con la resistencia del concreto a la compresión.

Esta relación es puramente experimental, y no se basa en la consideración de los esfuerzos implicados, ya que el sistema de esfuerzo en la superficie de fractura es tridimensional: hay esfuerzos radiales y circunferenciales en tensión, y un esfuerzo de compresión a lo largo de la superficie del cono. La profundidad del concreto arriba del extremo agrandado del inserto debe ser igual al diámetro del extremo agrandado; el diámetro del anillo de apoyo en relación con el diámetro del extremo agrandado del inserto asegura que el ángulo del vértice del tronco se halle entre 54 y 70 grados. La prueba de extracción es superior a la prueba del martillo de rebote y a la prueba de resistencia a la penetración porque se involucra un volumen más grande y una mayor profundidad del concreto en la prueba de extracción. En el aspecto negativo, se requiere reparación del concreto. Pruebas con instalación posterior Se han desarrollado varios métodos para hacer posible la realización de la prueba de extracción sin instalación previa. Estos métodos implican cortar un agujero en el concreto endurecido, rebajarlo con una herramienta especial, e insertar un anillo expandible con un perno unido a él. Entonces la prueba de extracción puede realizarse de la manera usual. Otras pruebas con instalación posterior incluyen la prueba de fractura interna. En esta prueba, se rosca un perno de ancla de cuña dentro de un agujero taladrado en el concreto. Luego se saca el perno haciendo girar una tuerca que descansa en un cojín de empuje sobre un asiento esférico. La torsión requerida para sacar el perno da una valoración de la resistencia a la compresión del concreto, aunque el perno, cuando se saca, aplica fuerzas tanto verticales como horizontales al concreto. En la prueba de rompimiento, es posible valorar la resistencia a la flexión del concreto en una sección transversal circular paralela a la superficie del concreto. La sección se forma por medio de un tubo insertado en el concreto fresco. Se utiliza un gato para aplicar una fuerza transversal en el elemento que se está rompiendo. También se han desarrollado pruebas de extracción que implican mediciones de la fuerza requerida para extraer una parte del concreto, utilizando un disco de metal con pegamento. Así, se aplica tensión directa pero el área sobre la que actúa es incierta. Prueba de velocidad de pulso ultrasónico Método de prueba no destructiva, el cual determina la velocidad de las ondas longitudinales (de compresión). Se compone de la medición del tiempo tomado por un pulso, de ahí el nombre del método, para recorrer una distancia medida. El aparato incluye transductores que se ponen en contacto con el concreto, un generador de pulsaciones con una frecuencia de entre 10 y 150

Hz, un amplificador, un circuito que mide el tiempo y una pantalla digital del tiempo tomado por la pulsación de ondas longitudinales para viajar entre los transductores. La velocidad de onda, V, en un medio homogéneo, isótropo y elástico está relacionada con el módulo dinámico de elasticidad, Ed, por la expresión:

donde:

La velocidad de pulsación ultrasónica a través del concreto es el resultado del tiempo tomado por la pulsación que viaja a través de la pasta de cemento endurecido y a través de del agregado. El módulo de elasticidad de los agregados varía considerablemente, de manera que la velocidad de pulsación del concreto depende del módulo de elasticidad del agregado real y del contenido del agregado de la mezcla. Por otro lado, la resistencia del concreto no necesita ser afectada significativamente, ya sea por el contenido o por el módulo de elasticidad del agregado. Consecuentemente, no existe ninguna relación única entre la velocidad de pulsación ultrasónica y la resistencia a la compresión. La prueba de velocidad de pulsación ultrasónica tiene el mérito considerable de proporcionar información acerca del interior de un elemento de concreto. Por lo tanto, la prueba es útil para descubrir agrietamientos, huecos, deterioro a causa de congelación o fuego, y la uniformidad del concreto en elementos similares. Posibilidades adicionales en pruebas no destructivas Existen ahora numerosas pruebas no destructivas para concreto in situ, algunas de las cuales aún están en etapa de desarrollo. Estas pruebas incluyen radiografía utilizando rayos gamma o rayos X de alta energía (para localizar huecos), radiometría (para medir densidad), transmisión o reflexión de neutrones (para estimar el contenido de humedad del concreto), y radar para penetración de superficie (para localizar huecos, grietas o delaminación). En la técnica de ecoimpacto, ondas de esfuerzo transitorio inducidas por impacto llegan a reflejarse por huecos y grietas del concreto, y el desplazamiento que resulta en la superficie es monitoreado cerca del impacto. Así, pueden descubrirse imperfecciones en el interior del concreto. La determinación de emisiones acústicas, que son ondas elásticas transitorias inducidas por esfuerzos que representan una alta proporción de la resistencia última, pueden utilizarse para descubrir el desarrollo de agrietamiento. La técnica puede ser útil para determinar la integridad remanente de una estructura que ha experimentado carga extrema.

Método de frecuencia resonante En este método, un espécimen de dimensiones especificadas (preferiblemente similares a las empleadas para determinar el módulo de ruptura) se sujeta con abrazaderas en su parte central, con una unidad impulsora colocada contra una cara extrema del espécimen y un fonocaptor contra la otra. El excitador se impulsa por medio de un oscilador de frecuencia variable con una variación de 100 a 10000 Hz. Las vibraciones propagadas dentro del espécimen son recibidas por el fonocaptor, amplificadas, y su amplitud medida por medio de un indicador apropiado. La frecuencia de excitación se varía hasta obtener la resonancia a la frecuencia fundamental del espécimen; ésta es indicada por la máxima desviación del indicador. Si esta frecuencia es n Hz, L es la longitud del espécimen y ρ su densidad, entonces el módulo dinámico de elasticidad está dado por: donde: La longitud de la viga y su densidad tiene que ser determinadas en forma muy precisa. Pruebas sobre la composición del concreto endurecido