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Probetas testigo de hormigón

10 de Octubre de 2023 | Autor: Asier Castaño Ávila (Cuenta de Twitter del autor no disponible). Leído: 3529 veces

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La rotura a compresión de probetas testigo consiste en un ensayo para determinar la resistencia de un hormigón endurecido de una estructura mediante la extracción con sonda rotativa de diamante y su posterior rotura en laboratorio.

Es el sistema más seguro para determinar con fiabilidad la resistencia a compresión pero también es uno de los sistemas más costoso y más destructivo, aunque usándolo de forma combinada con un método no destructivo (END) permite reducir el número de extracciones y conseguir correlaciones que permiten hacer buenas estimaciones de las resistencias. [5]

En la interpretación de los resultados hay que entender que los valores de las probetas testigo extraídas del hormigón in situ, no pueden ser directamente comparables con los resultados obtenidos en el control estadístico del hormigón en su fase de vertido, ya que las condiciones de compactación y curado son totalmente diferentes. Hay que indicar, que las probetas cilíndricas se fabrican con un compactado y curado óptimo (28 días en cámara con humedad y temperatura ideal), mientras que el compactado y el curado de la obra, por sus propios condicionantes, es siempre más desfavorable que las que presentan las probetas en el control estadístico. [7]

El procedimiento de trabajo, normalizado en [3] suele ser el siguiente:

1)      Planificación de la campaña:

Lo primero que hay que tener claro es cuál es la necesidad de realizar el ensayo y qué objetivo se persigue con el fin de establecer la zonificación, lotes y número de muestras. Si se desea conocer una resistencia media global pueden realizarse testigos de forma aleatoria, sin embargo, si se sospecha de una zona de peor calidad o se observan hormigones diferentes, pueden establecerse lotes. Para la selección de zonas puede ser muy útil una campaña previa mediante esclerómetro.

En los tipos de ensayo comentados es muy importante poder disponer de un número mínimo de resultados. Cualquier correlación debe definir siempre el intervalo de validez del ajuste obtenido y el error asociado a la estimación de resistencias, para un nivel de confianza recomendado del 95 %.

En [8] se indica que, para la determinación de la resistencia in-situ en un punto determinado, la estimación a partir de un único testigo se encuentra en el rango del ±12 % de la resistencia real del hormigón en ese punto. Por tanto, para n testigos, la resistencia media de los testigos está en el intervalo del ±2/√n %.

Imagen 1. Límites del intervalo de confianza de ensayos de probetas testigo [6]

CSTR 11 [8] presenta procedimientos para el cálculo de la resistencia estimada del hormigón in-situ y a pie de obra. La recomendación del número de muestras y la precisión para el cálculo de la resistencia a pie de obra es de un mínimo de cuatro testigos tomados de cada lote de hormigón puesto bajo sospecha. La resistencia estimada a partir de cuatro o más testigos está dentro del intervalo del ±15% respecto al valor verdadero. Por tanto, de acuerdo con [8], no merece la pena la extracción de más de cuatro testigos por lote sospechoso ya que la estimación no mejora sensiblemente al aumentar el número de probetas.

El informe ACI [9] también da valores del 12% para un único testigo pero ofrece un número recomendado de éstos según el coeficiente de variación estimado de la resistencia in-situ (V) y el error máximo (e), que se quiera obtener en los resultados:

Imagen 2. Numero de probetas según el error máximo y coeficiente de variación [6]

La norma ASTM [10] expone que al menos 5 testigos se deben obtener por cada hormigón especificado.

La norma UNE [4] proporciona dos métodos de cálculo de la resistencia in-situ estimada en función del número de testigos de 100 mm extraídos en una determinada zona siempre que existan al menos tres testigos por zona. Si las muestras son de 50 mm de diámetro, el número de testigos extraídos ha de triplicarse.

 

Por otro lado está la selección del diámetro del testigo a extraer ya que, por lo general, a mayor tamaño de testigo mejores resultados puesto que cuanto mayor es la probeta menor es la variabilidad introducida por el procedimiento de extracción. El tamaño ideal es de diámetro 150 mm con una esbeltez de 2, es decir, 300 mm de longitud, para no tener que introducir ningún coeficiente de corrección de forma con respecto a la resistencia determinada sobre probetas estándar.

Sin embargo, el obtener testigos de este tamaño no siempre es una opción practicable, ya que la probeta ha de estar preferentemente exenta de barras de refuerzo. La norma UNE [3] acepta que la relación entre el tamaño máximo del árido y el diámetro del testigo debe ser mayor que 3, lo que implica diámetros de 100 mm para TMA de 25 mm y de 75 mm para 20 mm o menos. Con diámetros por debajo de los 50 mm más baja es la resistencia y menor la precisión, lo que obliga a aumentar el número de testigos necesarios.

 

2)      Reconocimiento mediante pachómetro:

Es muy recomendable y habitual emplear un detector magnético de armaduras en la zona donde se prevé para evitar el corte de armaduras, lo cual es perjudicial tanto para la estructura existente como para la probeta testigo.

Imagen 3. Ejemplo de empleo de detector de armaduras

3)      Extracción de probetas:

La extracción debe realizarse por personal experimentado, con un equipo calador refrigerado con agua con coronas de corte diamantadas. El bastidor se fija habitualmente al hormigón mediante tornillos de anclaje, y se debe prestar atención a la velocidad de giro y avance de la corona para asegurar que el testigo se extrae en la dirección perpendicular a la superficie.

El testigo se desprende una vez calado mediante un cincel introducido en el anillo aserrado por la corona, golpeándolo de tal forma que se produzca la rotura del material por el extremo final taladrado.

Una vez que las muestras se han cortado, se deben identificar con un número de referencia, la dirección de extracción y la localización dentro de la estructura, y deben envolverse en un film impermeable, como polietileno.

Imagen 4. Ejemplo de equipo completo instalado de perforación mediante corona para extracción de probeta en pilar

Imagen 5. Ejemplo para extracción de probeta en viga

Tras la extracción, lo más habitual es realizar in situ el test de carbonatación mediante la aplicación de la disolución de fenolftaleína. No es objeto de este artículo pero es importante que se haga sin que transcurra mucho tiempo puesto que la reacción con el dióxido de carbono puede ser rápida.

Imagen 6. Ejemplo de numeración de probetas una vez realizado test de carbonatación

Por último, pero no menos importante, es necesario devolver el monolitismo a la estructura rellenando el agujero generado por la probeta extraída. Debe emplearse un mortero compatible con el hormigón existente y de retracción compensada. Es muy habitual aplicar un mortero de consistencia seca con llana, lo cual genera un resultado dudoso. Lo ideal es crear un encofrado casero y verter un mortero de consistencia líquida.

Imagen 7. Encofrado casero con bebedero para relleno de taladro

Destacar que, a pesar que se suele pensar lo contrario, no es recomendable emplear un mortero de alta resistencia (como puede ser un R4) para rellenar hormigones de resistencias medias y bajas puesto que los módulos de elasticidad serán muy diferentes, generando un punto rígido de concentración de tensiones en la zona del relleno.

 

4)      Tratamiento de probetas:

Una vez extraída la probeta se debe identificar para garantizar la trazabilidad y se traslada a laboratorio donde debe almacenarse en unas condiciones ambientales lo más parecidas posibles al del elemento estructural. Los laboratorios acreditados disponen de cámaras húmedas donde almacenan probetas y piscinas

Imagen 8. Almacenamiento de probetas moldeadas y artesas almacenadas en cámara húmeda

Imagen 9. Almacenamiento de probetas de hormigón y mortero sumergidas

Para eliminar la irregularidad de la cara interior de la probeta y garantizar una longitud se realiza el corte de la probeta:

Imagen 10. Equipo de corte de probetas mediante disco

Las superficies destinadas a cargarse deben ser preparadas para garantizar la ausencia de irregularidades, siendo el mejor método el pulido, no obstante, lo habitual suele ser el refrentado con mortero de azufre, limitado a probetas de resistencia inferior a 50 MPa.

Imagen 11. Procedimiento de refrentado mediante mortero de azufre de las probetas

Imagen 12. Equipo de pulido de probetas

5)      Rotura de probeta:

Se seca el exceso de humedad de la superficie de la probeta antes de ponerla en la máquina de ensayos. Se secan los platos de carga de la máquina, debiendo eliminarse cualquier resto de gravilla u otro material extraño de las superficies de la probeta que han de estar en contacto con los platos.

Se selecciona una velocidad de carga constante dentro del rango de 0,2 MPa/s a 1,0 MPa/s. Se aplica la carga a la probeta sin choques y se incrementa continuamente, a la velocidad seleccionada ± 10%, hasta que no se pueda soportar más carga y se registra la carga máxima indicada, permitiendo calcular la tensión de rotura.

Imagen 13. Proceso de ensayo de carga en prensa

El diámetro del testigo se determina en las circunferencias situadas aproximadamente a un cuarto, la mitad y tres cuartos de la longitud del testigo, sobre dos mediciones en ángulo recto en cada circunferencia, redondeando al milímetro. La longitud se determina sobre el testigo una vez refrentado, como la media de dos mediciones en ángulo recto, y también se redondea al milímetro.

Es importante observar la morfología de la rotura de la probeta para garantizar la validez del ensayo, prestando especial atención a fallos prematuros por defectos internos:

Imagen 14. Ejemplo de formas de rotura de probetas satisfactorias

Imagen 15. Roturas satisfactorias y no satisfactorias de probetas cilíndricas y cúbicas [3]

 

6)      Evaluación de resistencia:

La resistencia característica del hormigón es la entendida como la resultante del ensayo de probetas moldeadas, mientras que la resistencia de los testigos extraídos suele ser inferior, influida por la propia extracción del testigo, por el tamaño de la propia probeta, etc.

Cuando se trata de realizar una evaluación estructural de una construcción ya existente es muy importante estimar los factores y tenerlos en cuenta para comparar la resistencia del testigo con la resistencia del hormigón in situ:

-   Tamaño del testigo: se recomiendan diámetros de al menos 100 mm y no mayor de 150 mm (siempre superior a tres veces el TMA), con una relación entre longitud y diámetro (l/d = esbeltez) entre 1,50 – 2,00.

-   Contenido en humedad: las probetas secas resisten más que las húmedas. Si el testigo por su localización dentro de la estructura está saturado presenta entre un 10% y un 15% menos de resistencia.

-   Dirección relativa al hormigonado: la resistencia de testigos extraídos en la dirección perpendicular al vertido está entre 5% y un 8% menos.

-   Influencia de las operaciones de extracción del testigo: la extracción puede provocar microfisuración o imperfecciones que pueden influir en el resultado de la resistencia. La EHE-08 [1] presenta esta influencia en un 10% menos de resistencia.

Imagen 16. Correlación entre la resistencia de las probetas moldeadas y los testigos [7]

-   Altura de extracción: afecta al grado de compactación y por tanto a la densidad del hormigón. Con el objeto de que la muestra sea representativa hay que tener en cuenta que la resistencia in situ decrece hacia la parte superior del vertido, y puede ser hasta un 25% menor en la parte superior al núcleo del hormigón. Las resistencias se verán especialmente afectadas en los 30 cm superiores o 20% del canto.

Imagen 17. Variación de la resistencia según la altura de extracción [7]

-   Armadura interceptada: el resultado de un testigo que contiene acero es inferior. Se determina la reducción a partir de la siguiente formulación:

La resistencia estimada de la probeta será la obtenida del ensayo corregida por los factores anteriores.

Es una buena práctica, en primer lugar, representar gráficamente los resultados obtenidos de tal manera que se pueda observar si la distribución de éstos forma parte de una única población. Si se observasen dos poblaciones, la región podría dividirse en dos regiones de ensayo.

Por último, de acuerdo con la UNE (4) en función del número de muestras disponibles se establecen dos métodos de cálculo de la resistencia característica estimada:

-   Método A (15 o más testigos): la resistencia característica in situ estimada fck,is de la región de ensayo es el menor valor entre:

ka se indica en las disposiciones nacionales (en España 1,645); s es la desviación estándar de los resultados de ensayo o 2 MPa, cualquiera que sea el valor mayor

-   Método B (menos de 15 testigos): la resistencia característica in situ estimada fck,is de la región de ensayo es el menor valor entre:

A continuación se presenta la probabilidad de aceptación de distintos hormigones en función del número de resultados, observándose no sólo la influencia del número de muestras sino la influencia de la media y desviación del hormigón objeto de evaluación. Es de interés, para el caso de un hormigón con media 27,0 MPa, comprobar la rigurosidad (baja probabilidad de aceptación) que se observa con el método B1 y el cambio que se produce cuando un hormigón con la misma media ve aumentada su desviación, bien por la disminución de la homogeneidad del hormigón de la región de ensayo o bien por la dispersión del ensayo en el laboratorio. En este último caso se observa que cuando se emplea el método B (B1, B2, B3) de forma poco lógica se ve aumenta da la probabilidad de aceptación al aumentar la desviación estándar.

Imagen 18. Variación de la probabilidad de aceptación según número de muestras y método empleado [11]

Como conclusión final, se puede observar como el procedimiento matemático para la obtención de la resistencia característica estimada es muy sencillo, sin embargo, el número de variables intervinientes hace necesaria la aplicación de un criterio técnico con rigor y experiencia, de lo contrario, la fiabilidad de los resultados obtenidos puede ser muy baja.

La evaluación estructural de una estructura existente requiere de un conocimiento amplio de los materiales empleados, sistemas estructurales y constructivos, así como tener una visión global de la estructura, sin olvidar los detalles que son los que finalmente acaban generando el fallo de la estructura. Una buena referencia para abordar un problema de este tipo es la monografía 33 de ACHE [6].

 

Referencias

[1] Instrucción de Hormigón Estructural. EHE-08

[2] Código Estructural Estructural. CE-21

[3] UNE-EN 12504-1:2020. Ensayos de hormigón en estructuras. Parte 1: Extracción, examen y ensayo a compresión.

[4] UNE-EN 13791:2020. Evaluación de la resistencia a compresión in situ en estructuras y elementos prefabricados de hormigón.

 [5] Evaluación de la capacidad resistente de estructuras de hormigón. Ensayos no destructivos y pruebas de carga. INTEMAC. 2001.

 [6] Evaluación de estructuras de hormigón armado. Monografía 33. GT IV/1 Comisión 4. ACHE. 2019.

 [7] Ensayos de información complementaria del hormigón: Evaluación de la resistencia a compresión del hormigón mediante probetas testigo. CSIC.

 [8] Concrete Society Technical Report Nº 11 “Concrete core testing for strength”. 1976.

 [9] ACI 214.4R-03. Guide for obtaining cores and interpreting compressive strengtgh results.

 [10] ASTM C823. Standard practice for examination and sampling of hardened concrete in constructions.

 [11] Martínez Lebrusant, R. Evaluación de la resistencia a compresión in-situ en estructuras. IECA. 2012.

 

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Asier Castaño Avila . Ingeniero de Caminos en LANDABE ingeniería.
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