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Santiago de Chile 4 -6 de Junio de 2014 X Congreso Internacional sobre Patologia y Recuperación de Estruturas – CINPAR 2014 Ensayos no destructivos y destructivos para evaluación de estructuras Ensayo in-situ de Permeabilidad al Aire: ¿Un medidor de Durabilidad? Site Air-Permeability Test: a Durability Meter? Luis Ebensperger (1), Roberto J. Torrent (2) (1) Dr.-Ing., Construtechnik Ltda., Santiago, Chile (2) Ph.D., Materials Advanced Services Ltd., Buenos Aires, Argentina [email protected] [email protected] Resumen Los autores han participado en la creación, desarrollo y aplicación del “Método Torrent” para medir in-situ en forma no-destructiva la permeabilidad del hormigón. El método también es válido para laboratorios, pero de mayor relevancia, es su uso en estructuras terminadas. Han pasado más de 20 años desde la investigación inicial, y este trabajo muestra una revisión actualizada y la evolución del método, incluyendo la Norma Suiza del 2003. Se presentan resultados de variadas investigaciones tanto de laboratorio como en obras civiles (puentes, túneles y edificaciones) realizados en diversos países. Ha sido posible encontrar correlaciones entre el coeficiente de Permeabilidad al Aire kT y otros indicadores de durabilidad, como la migración de cloruros (ASTM C1202), penetración de agua bajo presión (EN 12390-8), Succión Capilar y Resistencia al hielo/deshielo. Además se resumen las recientes recomendaciones del Ministerio de Transporte de Suiza acerca de la aplicación del método, junto a su uso como una herramienta de Control de Calidad de obras nuevas y como estimación de condiciones de estructuras existentes. Palabras-Clave: Hormigón, Durabilidad, Permeabilidad, Ensayo no-destructivo Abstract The authors have been involved in the creation, development and preliminary applications of the “Torrent Method” to test, non-destructively, the air-permeability of concrete. The method is suitable for the laboratory but, more important, for site investigation of finished structures. It has been about 20 years since such foundational research and this paper presents an updated review of the evolution and current situation of the method, included in the Swiss Standards in 2003. Application examples conducted in laboratory and civil works (bridges, tunnels and buildings) are presented, including data from different countries worldwide. Correlations between the air permeability coefficient kT and other durability indicators, such as Chloride migration (ASTM C1202), Penetration of water under pressure (EN 12390-8), Capillary suction and Frost-Thaw-Salts resistance are presented. Recent recommendations of the Swiss Federal Highway Administration on the application of the method on site are summarized. Finally, the future prospective uses are discussed, both as quality control tool for new structures and for the condition assessment of existing structures. Keywords: Concrete, Durability, Permeability, on-site non destructive method

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X Congreso Internacional sobre Patologia y Recuperación de Estruturas – CINPAR 2014

Ensayos no destructivos y destructivos para evaluación de estructuras

Ensayo in-situ de Permeabilidad al Aire: ¿Un medidor de Durabilidad?

Site Air-Permeability Test: a Durability Meter?

Luis Ebensperger (1), Roberto J. Torrent (2)

(1) Dr.-Ing., Construtechnik Ltda., Santiago, Chile

(2) Ph.D., Materials Advanced Services Ltd., Buenos Aires, Argentina

[email protected] [email protected]

Resumen

Los autores han participado en la creación, desarrollo y aplicación del “Método Torrent” para medir in-situ en forma no-destructiva la permeabilidad del hormigón. El método también es válido para laboratorios, pero de mayor relevancia, es su uso en estructuras terminadas. Han pasado más de 20 años desde la investigación inicial, y este trabajo muestra una revisión actualizada y la evolución del método, incluyendo la Norma Suiza del 2003. Se presentan resultados de variadas investigaciones tanto de laboratorio como en obras civiles (puentes, túneles y edificaciones) realizados en diversos países. Ha sido posible encontrar correlaciones entre el coeficiente de Permeabilidad al Aire kT y otros indicadores de durabilidad, como la migración de cloruros (ASTM C1202), penetración de agua bajo presión (EN 12390-8), Succión Capilar y Resistencia al hielo/deshielo. Además se resumen las recientes recomendaciones del Ministerio de Transporte de Suiza acerca de la aplicación del método, junto a su uso como una herramienta de Control de Calidad de obras nuevas y como estimación de condiciones de estructuras existentes. Palabras-Clave: Hormigón, Durabilidad, Permeabilidad, Ensayo no-destructivo

Abstract

The authors have been involved in the creation, development and preliminary applications of the “Torrent Method” to test, non-destructively, the air-permeability of concrete. The method is suitable for the laboratory but, more important, for site investigation of finished structures. It has been about 20 years since such foundational research and this paper presents an updated review of the evolution and current situation of the method, included in the Swiss Standards in 2003. Application examples conducted in laboratory and civil works (bridges, tunnels and buildings) are presented, including data from different countries worldwide. Correlations between the air permeability coefficient kT and other durability indicators, such as Chloride migration (ASTM C1202), Penetration of water under pressure (EN 12390-8), Capillary suction and Frost-Thaw-Salts resistance are presented. Recent recommendations of the Swiss Federal Highway Administration on the application of the method on site are summarized. Finally, the future prospective uses are discussed, both as quality control tool for new structures and for the condition assessment of existing structures. Keywords: Concrete, Durability, Permeability, on-site non destructive method

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1 Introducción

La cada vez más frecuente ocurrencia de problemas relacionados a la durabilidad en estructuras de hormigón, especialmente por la depasivación de la armadura y posterior corrosión, por ataques químicos y por la acción de ciclos hielo/deshielo, cuestionan el enfoque tradicional acerca de la especificación y control de estas estructuras.

En un detallado trabajo realizado por Mehta en 1991[1], concluye: "La penetración de agua o permeabilidad al agua del hormigón pareciera ser que es la única propiedad que puede ser relacionada directamente con la durabilidad a largo plazo. Existe una abrumadora evidencia que los mayores problemas actuales de durabilidad, tales como la corrosión de las armaduras, la baja resistencia a los ciclos hielo/deshielo, agrietamiento debido a reacción álcali-agregado o ataque de sulfatos, no tendrían consecuencias si los hormigones fueran impermeables durante el tiempo de la exposición, y continuaran así durante la vida útil estimada".

Mientras la capacidad resistente de un elemento estructural es el resultado de su comportamiento integral, su durabilidad contra medios agresivos depende básicamente del desempeño de una capa protectora relativamente delgada (20-50 mm): el recubrimiento (Fig. 1).

CO2Cl- SO4

2-, Abrasión,

Hielo

Acero

“Recubrimiento”

de Peor Calidad

Debido a:

• Segregación

• Compactación

• Curado

• Exudación

• Acabado

• Microfisuras

Las probetas

moldeadas y

curadas en

forma

normalizada,

NO

representan la

calidad real del

‘recubrimiento’

Núcleo

Fig. 1 - Concepto de la capa superficial del hormigón de recubrimiento

Esta capa debe proteger las armaduras contra la corrosión inducida por carbonatación o cloruros, además de resistir ataques químicos, daños por congelamiento, etc. Pero, además y lamentablemente, se ve fuertemente afectada durante el proceso de colocación del hormigón, como una mala compactación, acabado y prácticas de curado. Por lo mismo, esta capa tan esencial se transforma en el elemento de peor calidad de toda una estructura de hormigón.

Los criterios de especificación y de control clásicos para hormigones se basan casi exclusivamente en los resultados obtenidos en probetas moldeadas que no son representativas de la calidad real de la estructura.

O sea, la calidad actual de esta capa esencial en los procesos de durabilidad, es por lo general ignorada, lo cual explica en gran medida desde el punto de vista de la durabilidad, el desempeño insatisfactorio de muchas estructuras. El concepto básico del hormigón de recubrimiento, el cual

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tiene propiedades distintas al núcleo del hormigón, comenzó a gestarse en los años 80 [2-4] y fue incluido en el Código CEB-FIP [5], que en el año 1990 declaraba:

“No existe un método globalmente aceptado para caracterizar la estructura de poros de un hormigón y que se relacione con su durabilidad. Sin embargo, variadas investigaciones experimentales han indicado que la permeabilidad del hormigón, tanto en relación al aire como al agua, son una excelente medida de la resistencia del hormigón contra el ingreso de medios agresivos en estado líquido o gaseoso, y por lo tanto son una medida de la durabilidad potencial de un hormigón en particular”

“Actualmente no existen métodos aceptados globalmente para una determinación rápida de la permeabilidad del hormigón ni menos valores límites de permeabilidad para hormigones expuestos a diferentes condiciones ambientales. Sin embargo, pareciera que aquellos métodos estarán en un futuro cercano disponibles, permitiendo la clasificación de hormigones basados en su permeabilidad. En ese momento se podrán definir requerimientos de permeabilidad, que dependerá, por ejemplo, de las clases de exposición a las cuales estará sometida la estructura”.

“Aunque un hormigón de alta resistencia en la mayoría de las situaciones es más durable que un hormigón de baja resistencia, por sí solo no es una medida completa de su durabilidad; debido a que la durabilidad depende principalmente de las propiedades de las capas superficiales del hormigón, las cuales tienen sólo un efecto limitado en la resistencia a compresión del hormigón.”

La calidad del hormigón de recubrimiento es el resultado, por un lado, del diseño de la mezcla (dosificación), y por otro lado, del cuidado otorgado durante la fabricación del hormigón (colocación, compactación, acabado, curado, etc.). Por lo tanto, ensayos en probetas moldeadas que son fabricadas en condiciones muy diferentes a las que existirán en terreno, nunca podrán representar la calidad real de la calidad del hormigón de recubrimiento. Por lo tanto, la única posibilidad es poder medir directamente sobre la estructura, preferentemente in-situ usando métodos no-destructivos, o en testigos extraídos de ella.

El método que se presenta a continuación mide el coeficiente de permeabilidad al aire del hormigón de recubrimiento, de un modo totalmente no-destructivo en apenas 6 minutos, utilizando tecnología digital de avanzada. Por lo tanto, el equipo cumple con el objetivo de especificar y controlar directamente la calidad del producto final: la estructura terminada.

Después de 20 años desde su creación, este trabajo presenta un resumen de la evolución del método, su actual estado y suficiente evidencia para apoyar la afirmación de ser un “Durabilímetro”.

2 Descripción del Método de Ensayo

El método se utiliza para medir el coeficiente de permeabilidad del hormigón de recubrimiento in-situ, de un modo no-destructivo. Funciona y se opera del siguiente modo (ver Fig. 2):

Se genera un vacío en la cámara concéntrica de doble celda, la cual se sella al hormigón mediante dos anillos de goma que se adhieren a la superficie. Después de un lapso de 35 a 60 s (con un vacío de 5 a 50 mbar dependiendo del hormigón, instrumento, etc.), la válvula 2 se cierra y la cámara interna queda aislada. El aire en los poros del material comienza a fluir a través del hormigón de

recubrimiento hacia la cámara interna, aumentando la presión Pi. Este aumento de presión ΔPi

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(medición comienza a los 60 s) se relaciona directamente con el coeficiente de permeabilidad del hormigón superficial.

Un regulador de presión mantiene la presión de la cámara externa permanentemente balanceada

con la presión de la cámara interna (Pe=Pi). Así, se asegura un flujo unidireccional controlado hacia

la cámara interna (Fig. 2b) y el coeficiente de permeabilidad al aire kT (m²) puede ser calculado según se indica más adelante. Un microprocesador almacena la información y calcula automáticamente el valor del coeficiente de permeabilidad al aire kT, el cual se muestra digitalmente al terminar el ensayo. Esto sucede cuando el aumento de presión alcanza a 20 mbar, o en caso de permeabilidades muy bajas, después de 6 minutos de iniciado el ensayo [6, 7].

Consecuentemente, dependiendo de la permeabilidad del hormigón, el ensayo puede tardar de 2 a 6 minutos (hasta 12 en modelos anteriores). El microprocesador puede almacenar información de varios ensayos a la vez, y ésta puede ser luego transferida a un PC para análisis adicionales. La función de la válvula 1 es restaurar la presión atmosférica en el sistema para un nuevo ensayo.

2a

2b

Fig. 2a - Esquema del método de ensayo; Fig. 2b -Detalles de la celda de vacío y flujos de aire

Dado que la geometría del flujo de aire está definida (perpendicular a la superficie), es posible calcular el coeficiente de permeabilidad con la Ecuación 1, según [7, 8].

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(1)

donde:

kT: coeficiente de permeabilidad al aire (m²)

Vc : volumen de la celda interior (m³)

A : superficie de la celda interior (m²)

µ : viscosidad del aire (= 2.10-5 Ns/m²)

ε : porosidad del recubrimiento del hormigón (asumida = 0.15)

Pa : presión atmosférica (N/m²)

∆Pi: aumento de presión en la celda interior a tf (N/m²)

tf : tiempo (s) al final del ensayo (2 hasta 6 o 12 min, dependiendo del modelo de equipo)

to : tiempo (s) al comienzo del ensayo (= 60 s)

La profundidad que se ve afectada por el ensayo (típicamente entre 10 a 70 mm), la cual aumenta con el valor de kT, también es indicada por el instrumento.

La permeabilidad al aire kT es muy sensible a la micro estructura del recubrimiento, y el método permite detectar hasta 6 órdenes de magnitud (0.001x10-16 hasta 100x10-16 m²). La Tabla 1 muestra la clasificación de la permeabilidad del hormigón basada en mediciones de kT realizadas entre los 28 a 180 días.

Tabla 1 - Clases de Permeabilidad del Hormigón

Las probetas de laboratorio deben ser condicionadas antes del ensayo secándolas a 50°C. En terreno se recomienda comprobar mediante un instrumento basado en medición de impedancia y antes de la realización de la medición de kT, que la humedad superficial no supere un 5.5%.

Clase kT (10-16 m2 ) Permeabilidad

PK1 < 0.01 Muy Baja

PK2 0.01 – 0.10 Baja

PK3 0.10 – 1.0 Moderada

PK4 1.0 –10 Alta

PK5 > 10 Muy alta

kT =A

ln

2 ε Pa

Vc

2

2

µ

Pa + ΔPi

Pa - ΔPi

√ tf - √ to

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3 Hitos en el Desarrollo del Método

Año Hito 1990 Torrent [9] desarrolla el método, creando el 1er. prototipo.

91-93 Torrent y Ebensperger [10] realizan un exhaustivo programa de investigación en laboratorio, auspiciado por el Ministerio Suizo de Carreteras, evaluando el rendimiento con un 2do. Prototipo. Primeros ensayos in-situ.

93-95 Torrent y Frenzer [8] realizan ensayos in-situ (túneles y puentes), auspiciado por el Ministerio Suizo de Carreteras. La ecuación (1) definitiva fue desarrollada.

1995 Proceq S.A. lanza al mercado un equipo comercial basado en el 3er. Prototipo, bajo el nombre de “Torrent Permeability Tester” [11]

2003 Método es adoptado por las Normas Suizas [12]

2005 RILEM 189-NEC Recomendación. Mejor desempeño en una prueba comparativa con otros métodos [13]

2008 Material Advanced Services S.R.L. lanza al mercado un nuevo equipo modelo PermeaTORR [6]

2009 El Ministerio de Transporte Suizo FHWA edita recomendaciones para su aplicación in-situ [14]

12-13 Aplicación en modelos para predecir la vida útil de estructuras [15-17]

2013 Recomendaciones del Ministerio de Transporte Suizo FHWA son incorporadas como Norma Oficial Suiza [18]

Más de 100 publicaciones en el mundo se refieren al método y su aplicación, ver Listado de Bibliografía en [6].

4 Aspectos que lo avalan como Indicador de Durabilidad

La recopilación detallada de resultados experimentales de variadas investigaciones alrededor del mundo, ha permitido realizar comparaciones del método de permeabilidad al aire kT con otros ensayos reconocidos de durabilidad. La Figura 3 muestra principalmente el efecto del curado sobre kT y las Figuras 4 a 10 en las siguientes secciones presentan algunas correlaciones. La fuente de la información se indica en el respectivo título indicando la referencia.

Fig. 3 – Efecto del curado sobre kT. Datos propios no publicados.

0,033

0,210

5,2

0,098

2,3

0,3

0,01

0,1

1

10

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

w/c

kT

(10

-16 m

²)

7d curing

without curingHigh

Moderate

Low

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4.1 Permeabilidad al Agua

Fig. 4 - Coeficiente de Succión Capilar (a24=Absorción a 24 h) en función de kT, según (SIA 262/1-A, 2003) [19]. Datos de [8,10].

Fig. 5 - Valor medio de Penetración de Agua bajo presión en función de kT, según (EN12390-8/DIN1048). Las líneas son los límites especificados por ambos ensayos para permeabilidad “Baja”

o “Muy baja”.

Las Figuras 4 y 5 muestran la tendencia de una mayor permeabilidad al agua con mayores valores de kT. Es de interés hacer notar que el límite máximo establecido en el ensayo de Penetración de Agua (20 y 30 mm), corresponden razonablemente bien a los límites equivalentes de acuerdo a las Clases de kT indicadas en la Tabla 1.

0

5

10

15

20

25

0.001 0.01 0.1 1 10 100

kT (10-16

m²)

24

-h S

orp

tiv

ity

(g

/m²/

) Laboratory

Tunnel

Bridge

Low Moderate High

0

20

40

60

80

100

120

140

0.001 0.01 0.1 1 10

kT (10-16

m²)

Me

an

Pe

ne

tra

tio

n (

mm

) [20] EN

[20] DIN

[21] EN

[22] DIN

[23] DIN

[24] EN

[25] DIN

[26] EN

Very Low

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4.2 Migración MCl / Difusión DCl de cloruros

Fig. 6 - Correlación MCl del "Ensayo de ingreso de Cloruros" (ASTM C1202) vs. kT.

Fig. 7 - Relación preliminar entre el Coeficiente de Difusión de cloruros DCl y kT.1

Es interesante hacer notar que los límites establecidos según el ensayo ASTM C1202 (ver Fig. 6), corresponden razonablemente bien con los límites equivalentes de las Clases de Tabla 1. La línea

de tendencia de la Fig. 6 permite estimar DCl a partir de datos de kT, lo cual sería de gran utilidad

para los modelos de predicción de vida útil [17]. Es necesario contar con más datos de mediciones

directas de DCl para validar esta relación.

1 Los valores marcados en negro corresponden a ensayos de inmersión/piscinas de DCl de larga duración;

los valores marcados con círculos son datos de la Fig. 6 convertidos según fórmula de [32]: DCl (10-12 m²/s) =

0.4 + 0.002 MCl (Coulombs).

100

1000

10000

100000

0.001 0.01 0.1 1 10 100

kT (10-16

m²)

Cl- M

igra

tio

n M

Cl (C

ou

lom

bs

) [13]

[27][28]

[29][30]

[31][25]

[22]

High (+ Very High)

Moderate

Low

Very

Low

0

5

10

15

20

25

30

35

0.001 0.01 0.1 1 10 100

kT (10-16

m²)

Dif

fus

ion

DC

l (1

0-1

2 m

²/s

)

D = 10 . kT

[10]

[8]

[22]

D =f(Coulombs)Cl

Cl1/3

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4.3 Carbonatación natural en laboratorio e in-situ en estructuras antiguas

Fig. 8 - Velocidad de Carbonatación medidas después de 2 y 4 años en hormigones almacenados en condiciones de interior/seco, en función de kT medido a 28 días

Fig. 9 - Valores de kT y Vel. de Carbonatación de estructuras antiguas en Suiza y Japón.

La Fig. 8 muestra una muy buena relación entre la carbonatación natural en ambiente interior/seco y kT. La Fig. 9 muestra que hormigones de baja permeabilidad (< 0.1 10-16 m²) muestran bajas velocidades de carbonatación (< 2 mm/y½), mientras que para valores altos de kT la vel. de carbonatación tiende a ser alta, pero tiende a disminuir, indicando el efecto probable de microfisuras, etc. La línea continua que actúa como límite en la Fig. 9 fue utilizada para predecir la vida útil en [16]. Es interesante hacer notar que al comparar las velocidades de carbonatación para los mismos valores de kT, las estructuras antiguas (Fig. 9) muestran valores menores que las sujetas a condiciones de ambiente interior/seco (Fig. 8).

0

5

10

15

20

25

0.001 0.01 0.1 1 10 100

28-d. kT (10-16

m²)

Ca

rbo

na

tio

n R

ate

(m

m/y

½) [33] (4y)

[10] (2y)

[8] (2y)

CR = 4.5 LOG(kT) + 10

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

tio

n R

ate

(m

m/y

½)

[8] 30 y

[8] 60 y

[34] 30 y

[35] 30 y

[36] 50 y

[37] 12-49 y

Very Low Low Moderate High Very High Ultra High

CR=2.2*lo

g(kT)+

6.6

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4.4 Ciclos de Hielo/deshielo con sales descongelantes

Fig. 10 - Pérdida de masa superficial después de 30 ciclos hielo/deshielo (Δm30) en la presencia de

sales [38], para una serie completa de ensayos, en función de kT. Se señalan las zonas de Resistencia Alta, Moderada y Baja. Datos de [10].

La Fig. 10 muestra distintos efectos tanto sobre la Resistencia a ciclos de hielo/deshielo con sales y los valores de permeabilidad de diversos hormigones. Las mezclas 2A, 6A y 7A representan mezclas típicas de distintas zonas de Suiza, con cem= 325 kg/m3. Para las mezclas 1A y 3A se varió el contenido de cemento. La mezcla 10A corresponde a su vez a un hormigón sin aire incorporado, en cambio la mezcla 9A es un hormigón de obra con un alto contenido de aire (9.5%). A las mezclas 4A y 5A se les añadió un 8% de humo de sílice. Y las mezclas tipo B corresponden a sus homólogas tipo A (hormigón de mayor y menor resistencia respectivamente – 25.4 MPa y 79.7 MPa), pero donde la cara ensayada corresponde a la cara inferior en contacto con el molde.

La incorporación de aire para lograr una baja permeabilidad del recubrimiento queda demostrada, pero no es concluyente en cuanto a la permeabilidad. Sin dudas la incorporación de humo de sílice es efectiva, reduciendo la permeabilidad para un alto contenido de cemento hasta en 80 veces. El efecto de la cara de ensayo es más notorio en hormigones de menor resistencia. En general se puede concluir, que para obtener hormigones de alta resistencia a los ciclos hielo/deshielo, las mezclas típicas no lo logran y debe recurrirse a hormigones especiales.

5 Aplicación del ensayo kT para la Especificación, Control y Estimación de Vida Útil de estructuras

La nueva Norma Suiza de Construcciones de Hormigón [39] define:

a) “en relación a la durabilidad, la calidad del hormigón de recubrimiento es de particular importancia”

2A-325-4.8%

6A-3257A-325

1A-250

3A-400

10A-AEA-1.2%

4A-325-SF8%

5A-400-SF8%

1B-Face

5B-Face

9A-On site-9.5%

10

100

1000

10000

0.01 0.1 1 10

Δm

30

(g/m

2)

kT (10-16 m2)

F-T-S Resistance

High

Moderate

Low

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b) “la impermeabilidad del hormigón de recubrimiento debe ser controlada por medio de ensayos de permeabilidad (p.e. mediciones de permeabilidad al aire) sobre la estructura o en testigos extraídos de la estructura”.

Tabla 2. Valores especificados de kT en función de la Exposición Ambiental [14, 18].

Clase de Exposición Descripción kTs (10-16 m2)

XC1 to XC3 Carbonatación leve No se requiere

XC4 Carbonatación severa 2.0

XD1, XD2a Cloruros leve 2.0

XD2b, XD3 Cloruros severo 0.5 Nota: Los valores kTs corresponden a un valor característico superior.

Recientemente, el Ministerio de Carreteras de Suiza editó el documento "Recomendaciones para el Control de Calidad del hormigón con mediciones de permeabilidad al aire” [14], el cual incluye: muestreo, preparación superficial, condiciones de temperatura y humedad del hormigón para mediciones significativas, calibración y ejecución del ensayo, límites recomendados de kT en función de la Clase de Exposición (Tabla 2) y un Reglamento de Conformidad.

Posteriormente, nuevos métodos de estimación de la vida útil de estructuras, basado en mediciones in-situ de kT y de la profundidad del recubrimiento, han sido desarrollados [17] y aplicados a nuevas estructuras [16] y también a importantes estructuras antiguas (p.e. Museo “Western Art” en Tokio [36]).

Los modelos usados para la estimación de la vida útil se basan en la Ley de Fick. La solución más usada corresponde a la 2da. Ley de Fick, representada en las siguientes ecuaciones, las cuales permiten estimar el momento de inicio de la corrosión:

(2)

donde:

Ti: edad de inicio de la corrosión (años)

c : espesor de recubrimiento (mm)

D0 : Coef. de Difusión de Cloruros a los 28d

t : edad de hidratación, con t tmax = término de hidratación

m : factor de reducción del Coef. De Difusión con la edad

erf-1: inversa de la función de error

Ccr : concentración crítica de cloruros, capaz de iniciar la corrosión

Cs : concentración de cloruros en la superficie del hormigón

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Tomando correlaciones obtenidas entre kT e índices de la acción de cloruros como MCl y DCl, y

considerando ciertos supuestos básicos, como que los valores variables de la ecuación (2) para un período de tiempo mayor al valor referencial (entregado p.e. por algún Código) permanecen constantes, la ecuación se simplifica y se obtiene una relación entre c y kT para un determinado Ti

≥ Tref. Si por ejemplo se relacionan esta simplificación con los valores límites indicados por la EN

1992-1 [42] para una vida útil de 50 años (w/cmax = 0.45, cmin = 45), se obtiene la Ecuación (3), la

cual permite determinar Vida útil (años) a partir de c y kT (ver Fig. 11):

(3)

0.01

0.1

1

10

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Vida útil en función de espesor c y permeabilidad kT

0.0-50.0 50.0-100.0 100.0-150.0 150.0-200.0

Fig. 11 – Resultados obtenidos a partir de la estimación indicada en [17].

6 Ejemplos de Aplicación

A continuación se muestran una serie de imágenes de distintas aplicaciones alrededores del mundo:

a) Canal de Panamá - b) Museo Western Art, Japón - c) Muros de investigación en Holanda

a)

b)

c)

Ti = 0.0086 c 2 / kT 1/3

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d) Hormigones de Iglesia Wotruba, Austria

e) Piso Industrial de retracción compensada, Argentina

f) Dovelas de Túnel en Puerto de Miami, EEUU

6 Conclusiones

Esta descripción a lo largo de la evolución del “Método Torrent” permite obtener las siguientes conclusiones:

El método es adecuado para medir la resistencia del hormigón de recubrimiento contra el ingreso de agentes agresivos que pueden afectar la durabilidad

Se correlaciona muy bien con otros métodos normados para medir fenómenos internos de transporte en el hormigón, teniendo la ventaja de ser más rápido y completamente no-destructivo

d)

e) f)

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Su incorporación en la Norma Suiza constituyen un hecho fundamental hacia la especificación por desempeño y el control de la durabilidad de estructuras de hormigón, con las siguientes ventajas:

o Al controlar la calidad del producto final (en la estructura construida), se consolida una nueva mentalidad orientada al desempeño de todas las partes involucradas en el proceso de construcción (constructores, proveedores, fabricantes de materiales, etc.)

o Ayudará a eliminar malas prácticas constructivas (adición no controlada de agua a la mezcla, mala compactación, falta de un curado adecuado, esparcir agua o cemento durante el acabado de pisos industriales, etc.)

o Al medir la calidad del hormigón de recubrimiento se fomenta el uso de soluciones innovativas para mejorarla (membranas permeables para los moldajes, eliminación de agua mediante vacío para pavimentos y vigas, uso de hormigones especiales, como auto compactantes, de alto desempeño, auto curado, de retracción compensada, etc.)

Constituye una útil herramienta para estimar la condición de una estructura, identificando las zonas más vulnerables donde es necesario reparar, rehabilitar o mejorar.

Los valores de kT pueden utilizarse para predecir la vida útil de estructuras, basado en la permeabilidad real y espesor del hormigón del recubrimiento.

Collepardi [40] declara que no existirá un enfoque empírico acerca de la durabilidad en las Normas hasta que alguien invente un medidor de durabilidad o “Durabilímetro”. Sin embargo, la invención de un solo equipo que abarque la gran diversidad de acciones agresivas que afectan a una estructura de hormigón, tanto interna como externa, es poco probable. Por el momento, el “Método Torrent” descrito en este trabajo, y tal como ha sido presentado, podría estar cumpliendo la condición buscada.

4 Referencias

[1] Mehta, P.K., "Durability of Concrete - Fifty Years of Progress?", ACI SP-126, 1991, 1-31 [2] Kreijger P.C., "The skin of concrete. Composition and properties". Mater. & Struct. 17(100),

1984, 275-283. [3] Meyer A.,"The importance of the surface layer for the durability of concrete structures". ACI

SP-100, v.1, 1987, 49-61. [4] Newman K., "Labcrete, realcrete and hypocrete. Where we can expect the next major

durability problems". ACI SP-100, v.2, 1987, 1259-1283. [5] CEB-FIP 1990. Model Code 1990, Final Draft, Section d.5.3: "Classification by Durability", CEB

Bulletin d'Information N° 205, Lausanne, July 1991. [6] PermeaTORR. Materials Advanced Services Ltd., www.m-a-s.com.ar. [7] Torrent, R., "Non-Destructive Air-Permeability Measurement: from Gas-Flow Modelling to

Improved Testing", Paper 151, Microdurability 2012, Amsterdam, 11-13 April, 2012.

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[8] Torrent R. u. Frenzer G., "Methoden zur Messung und Beurteilung der Kennwerte des Überdeckungsbetons auf der Baustelle". Report N° 516, Office Fédéral des Routes, Bern, Switzerland, 1995, 106 p.

[9] Torrent R. J., "A two-chamber vacuum cell for measuring the coefficient of air-permeability of the concrete cover on site", Mater. & Struct., v. 25, n.150, 1992, 358-365.

[10] Torrent R. u. Ebensperger L., "Studie über Methoden zur Messung und Beurteilung der Kennwerte des Überdeckungsbetons auf der Baustelle". Office Fédéral des Routes, Rapport No. 506, Bern, Switzerland, 1993, 119 p.

[11] Torrent Permeability Tester, Proceq S.A., www.proceq.com/products/concrete-testing/permeability-analysis/torrent.html?pqr=3

[12] SIA 262/1-E 2003, "Perméabilité à l'air dans les Structures". Norme Suisse: 'Construction en béton – Spécifications complémentaires', Annexe E, 30-31.

[13] Romer M., RILEM Recommendation TC 189-NEC: "Comparative test - Part I - Comparative test of penetrability methods”, Mater. & Struct., v38, Dec 2005, 895 – 906, updated in v41, Apr 2008, 443-447.

[14] Jacobs, F., Denariè, E., Leemann, A. und Teruzzi T., "Empfehlungen zur Qualitätskontrolle von Beton mit Luftpermeabilitätsmessungen". Office Fédéral des Routes, VSS Report 641, Dec. 2009, Bern, Switzerland. http://www.tfb.ch/de/Publikationen/Publikationsliste.html. ; Partial English Translation in http://www.m-a-s.com.ar/eng/documentation.php

[15] Imamoto, K., Tanaka, A. and Kanematsu, M., "Non-destructive assessment of concrete durability of the National Museum of Western Art in Japan", Paper 180, Microdurability 2012, Amsterdam, 11-13 April, 2012.

[16] Torrent, R., Armaghani, J. and Taibi, Y., "Port of Miami Tunnel: Carbonation and Service Life Assessment through Site Permeability Tests", to be published in Concrete International, 2013

[17] Torrent, R.J., "Service Life Prediction: Theorecrete, Labcrete and Realcrete Approaches", Key-note Paper, SCMT3 Conference, Kyoto, Japan, 18-21 August 2013.

[18] SIA 262/1-E: 2013, "Perméabilité à l'air dans les structures", Swiss Standards, Draft for Discussion, June 2012.

[19] SIA 262/1-A. 2003, "Perméabilité à l’eau". Norme Suisse 'Construction en béton - Spécifications complémentaires', Annexe A, 18-21.

[20] Denarié E., Conciatori D., Simonin P. 2004, "Essais comparatifs de caractérisation de bétons d'enrobage - phase I: bétons de laboratoire", apport d'essais MCS 02.12.0 -1, Laboratoire de Maintenance, Construction et Sécurité des Ouvarges (MCS), EPFL Lausanne, Switzerland.

[21] Fernández Luco, L. and evuelta Crespo, D., “Ensayo de penetración de agua bajo presión y Ensayo de permeabilidad al aire, método de Torrent, sobre probetas de hormigón de 150x300mm”, Informe N° 18’ 28, Instituto Eduardo Torroja, Madrid, Spain, 2005, 8 p.

[22] Fornasier, G., Fava, C., Fernández Luco, L. and Zitzer, L. 2003, “Design of Self Compacting Concrete for Durability of Prescriptive vs. Performance-Based Specifications”, ACI SP 212:19 -210

[23] Di Pace G., Calo D. and Torrent, R., "Assessment of concrete permeability in tunnels. SACoMaTIS 2008, (Eds. L. Binda, M. di Prisco and R. Felicetti), Varenna, Italy, 1-2 September 2008, Vol. 1, pp. 327-336.

[24] odríguez de Sensale, G., Sabalsagaray, B.S., Cabrera, J., Marziotte, L. and omay, C., “Effect of the Constituents on the Properties of SCC in Fresh and Hardened State”, fib Symposium 'Structural Concrete and Time', La Plata, Argentina, Sept. 2005.

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[25] Kattar, J.E., Abreu, J.V. de and Cruz, L.O., “Concreto de alto desempenho modificado con polímero para pisos industriais”, 3 ª eunião Anual do IB ACON, Goiânia, 3-7 Julho, 1995.

[26] Van Eijk, .J., “Evaluation of concrete quality with PermeaTO , Wenner Probe and Water Penetration Test” (in Dutch), KEMA eport (Confidential), Arnhem, Netherlands, 8 July 2009

[27] Andrade, C., González Gasca, C. and Torrent, ., “The suitability of the ‘TPT’ to measure the air-permeability of the covercrete”, ACI SP-192, 2000, 301-318.

[28] Kubens, S., Wassermann, R. and Bentur, A., "Non destructive air permeability tests to assess the performance of the concrete cover", 15th ibausil, Univ. Weimar, 24-27 September 2003.

[29] Mathur VK., Verma CL., Gupta BS., Agarwal SK. And Kumar A., “Use of High Volume Fly Ash in Concrete for Building Sector”, eport No. T(S)006, Central Build. es. Inst., oorkee, 2005, 35p.

[30] Kattar, J., Abreu, J.V. and egattieri, C.E.X., “Inovações na metodologia para avaliação da permeabilidade por difusão ao ar”, 41° Congresso Brasileiro do Concreto, Ibracon, Salvador, 1999.

[31] FHWA, "The Effects of Higher Strength and Associated Concrete Properties on Pavement Performance". FHWA-RD-00-161 Report, Chapter 5 ‘Concrete Properties’, Fed. Highway Admin., USDoT, 2000, pp. 143-182.

[32] Olek, J., Lu, Aijsing, Feng, Xiuping and Magee, B., "Performance-Related Specifications for Concrete Bridge Superstructures, Volume 2: High-Performance Concrete", Purdue University – Joint Transportation Research Program Technical Report Series 2002, 215 p.

[33] Imamoto K., Shimozawa K., Nagayama M., Yamasaki J. and Nimura S., “Threshold values of air permeability of concrete cover – a case study in Japan”, SACoMaTIS 2008 (L. Binda, M. di Prisco, R. Felicetti eds.), Varenna, Italy, 1-2 September 2008, Vol. 1, pp. 169-177.

[34] Jacobs F., "Betonzerstörungsfrei Untersuchungen". Der Bauingenieur, n.3, 2008, pp. 24-27. [35] Teruzzi, T., "Estimating the service-life of concrete structures subjected to carbonation on the

basis of the air permeability of the concrete cover". EUROINFRA, Helsinki, Oct.14-15, 2009 [36] Imamoto, K., Tanaka, A. and Kanematsu, M., "Non-destructive assessment of concrete

durability of the National Museum of Western Art in Japan", Paper 180, Microdurability 2012, Amsterdam, 11-13 April, 2012.

[37] Imamoto, K. and Tanaka, A., "Evaluation of carbonation progress of existing concrete structures based on air permeability of concrete cover—a case study in Japan", ICCRRR 2012, Cape Town, South Africa, 2-5 September 2012.

[38] SIA 162/1: 1988, "Concrete Construction. Materials Testing", Test No. 9, Old Swiss Standard. [39] SIA 262:2003, Swiss Standard: “Concrete Construction”, part of Swiss Structural Codes. [40] Collepardi, M., “While awaiting the durability meter”, L’Industria Italiana del Cemento, N° 2,

1996, pp. 108-111. [41] Torrent . y Ebensperger L., “Site air-permeability test: credentials as durability meter”,

CONSEC13 - Seventh International Conference on Concrete under Severe Conditions – Environment and Loading, 23-25 September 2013, Nanjing, China

[42] EN 1992-1-1:2004, „Eurocode 2: Design of Concrete Structures – Part I: General Rules and ules for Bulding“, European Standars.