webinar “propiedades del hormigón fresco y endurecido ......difusividad dcl 10-12 m²/s...

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Métodos de medición de la "penetrabilidad" del hormigón, en laboratorio e “in situ”.

Roberto TorrentMaterials Advanced Services SRL

Buenos Aires, [email protected]

Webinar “Propiedades del Hormigón Fresco y Endurecido”, Abril 2020

2

Objetivo

Describir en detalle los principales métodos de ensayo, de laboratorio e “in situ” para medir la “penetrabilidad” del recubrimiento

El tratamiento se circunscribirá a métodos cubiertos por Normas o Recomendaciones RILEM

2

3

Contenido de la Presentación

1. Ensayos Normalizados y/o cubiertos por Recomendación de RILEM

a) Permeabilidad a los gases

b) Permeabilidad al agua

c) Succión Capilar

d) Difusión

e) Migración

2. Relaciones entre ensayos

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Métodos cubiertos por Normas o Recom. RILEMTransporte Estad

o

Duración 1

Ensayo

Método Uso Norma

Recomend. RILEM

Permeabilidad O2 Estac. 1-5 horas Cembureau Lab RILEM, UNE

PermeabilidadAire

Trans. < 12 min Torrent Lab/Situ SIA Suiza

PermeabilidadH2O

Trans. 4 días Penetración de Agua

Lab IRAM, EN

Succión Capilar Trans. 1-7 días Fagerlund Lab RILEM, IRAMSIA Suiza, ASTM

Succión Capilar Trans. 2 horas ISAT Lab/Situ BS

Difusión de Cl- Trans. 35-90 días PondingInmersión

Lab AASHTONT Build, ASTM

Migración de Cl- Trans. 6 horas Whiting Lab ASTM

Migración de Cl- Trans. 24 horas Tang y Nilsson

Lab NT BuildSIA Suiza

Resistividad (Migración)

Estac. < 5 min DirectoWenner

LabLab/Situ

ASTMAASHTO

3

5

Permeabilidad al Oxígeno (Cembureau)

Q = Km

P2 – Pat2

2PatL

A

LA

P

6


Celdas de Ensayo

Botella de O2

Regulador de Presión

Caudalímetro de Burbuja

Entrada de aire comprimido

Tapa hermértica

P

Q

4

7

Recomendaciones Prácticas:

Mejor testigos que probetas (efecto pared)

Medir al menos a 2 presiones (1 y 2.5 bar relativa), en general es suficiente, promediar ambos resultados

La permeabilidad a mayor presión debe ser menor

Obtener el promedio de dos probetas

Pretratamientos Recom. RILEM 116-PCD y UNE 83966 (poco práctico)

Holcim: 6 días a 50°C y 1 d. en desecador a 20°C

IETcc: secado 4 días expuestas a 50° + 3 días selladas a 50°C


8

Permeabilidad al Aire: Método Torrent SIA 262/1:2019

5

9

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20 25 30Tiempo (s) - Escala Raíz t

Pre

sió

n P

i (m

bar)

0 t0 = 60 tf = 720

Cierra V2

Abre / cierra V2

Cierra V2

Inicia ΔP

t=0; Pi~1000Cierra V1

tf = 360

ΔP

= 2

0

Evolución de la Presión en la Cámara Interna

10

Aspecto Fundamental: Pe = Pi

i e

hormigón

100 mm

50 mm

e

Flujo controlado de airehacia la cámara interna

Celda de Vacíode doble cámara

6

11

Cálculo de kT

kT =A

ln

2 ε Pa

Vc2

2

µ

Pa + ΔPieff (tf)Pa - ΔPieff (tf)

√ tf -√ to

• kT: coeficiente de permeabilidad al aire (m2)• Vc : volumen del sistema de la celda interna (m3)• A : área de la celda interna (m2)• µ : viscosidad del aire (= 2.0 10-5 N.s/m2)• ε : porosidad estimada del recucreto(= 0.15)• Pa : presión atmosférica (N/m2)• ∆Pieff: aumento efectivo de presión en la celda

interna al final del ensayo (N/m2)• tf : tiempo (s) al final del ensayo ( 2 a 12 ó 6 min)• to : tiempo (s) al inicio del ensayo (= 60 s)

12

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

0.01 0.1 1 10

kO (10 m²)

kT

(10 m

²)

Hc Lab

Hc Tunnel

Hc Bridge

IET PCD

Hc PCD

TFB LNEC

-16

-16

kT = 0.76 kO1.30

Permeabilidad a Gases: kT vs RILEM-Cembureau kO

(N=135; R²=0.87)

7

13

Permeabilidad al Agua: Ensayo de Penetración de Agua (IRAM 1554; EN 12390-8)

Presión de Agua P

IRAM 1554 (ex DIN 1048)0-48 h: 0.1 MPa

48-72 h: 0.3 MPa72-96 h: 0.7 MPa

EN 12390-8 0-72h: 0.5 MPa

P

14

Ensayo de Penetración de Agua (IRAM 1554; EN 12390-8)

x

Al finalizar el ensayo, se parte el cubo en dos (similar al ensayo brasileño) y se dibuja directamente sobre la probeta el contorno de la penetración de agua.

Se mide la penetración máxima xmax que, expresada en mm, es el resultado del ensayo. Se redondea al 1 mm más próximo (antes era a los 5 mm, que parece más razonable dada la heterogeneidad del material). En IRAM 1554 también se mideel xm promedio.

H-04: a/c= 0.4; f’c28 = 31.5 MPa

H-06: a/c= 0.6; f’c28 = 23.0 MPa

[Villagrán Zaccardi et al, 2016]

8

15

Ensayo de Penetración de Agua (Clasificación NL)

Penetración xmax (mm) Calidad

< 30 Buena30-50 Moderada50-80 Mala> 80 Muy mala

CIRSOC 201 estipula xmax ≤ 50 mm y xm ≤ 30 mm para todoslos ambientes excepto A1. Es moderadamente exigente.

El código español EHE-08 estipula

xmax ≤ 50 mm y xm ≤ 30 mm para ambientes moderadamenteagresivos (p.ej. marino atmosférico o sumergido)

xmax ≤ 30 mm y xm ≤ 20 mm para ambientes muy agresivos(p.ej. zona entre mareas)

[Van Eijk, 2009; EHE-08, 2008]

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�� = ��

2. .

Cálculo de permeabilidad al agua y su aplicación

El resultado del ensayo de penetración de agua a presión x (m) permite calcular el coeficiente de permeabilidad al agua Kw (m/s), mediante,

[Valenta, 1970]

donde: � (-) = porosidad total; H (m) = presión de agua; t (s) = duración de la aplicación de la carga.

CASO REAL de aplicación de la fórmula (Consulta técnica fib):

El ensayo dió: x = 50 mm; P = 0.5 MPa ; t = 72 h; ¿cuánto tiempo tarda en entrar agua a una fundación cajón de espesor de pared e = 2 m, bajo una altura de agua de 10 m?. Una vez que empieza a entrar, ¿cuál sería el caudal de descargadentro del cajón para un área de 24 m² de pared?.Resultado: t = 6,6 años y Q= 365 lts/año (� = 0.10)

9

17

Penetración de Agua a Presión vs. kT

0

25

50

75

100

125

150

0.001 0.01 0.1 1 10

kT (10-16

m²)

Max. P

en

etr

ati

on

(m

m)

CH (EN)

CH (DIN)

SP (EN)

AR (DIN)

UY (DIN)

NL (EN)

Baja Moderada AltaMuy bajaP

en

etr

ació

n M

ax. (m

m)

18

St = ht / t0.5 at = ε δ St

ε : porosidad del hormigónδ : densidad del agua (kg/m

3)

at = coeficiente de succión capilar(g/m2/s0.5)

at = mt/A / t0.5

St = “sorptividad“ (mm/s0.5)

Succión Capilar. Normas Suiza SIA 262/1, Norma IRAM 1871

10

19


Ventaja importante: se pueden medir varias probetas a la vez.

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Recomendaciones Prácticas:

Mejor testigos que probetas (efecto pared)

Medir a distintas edades, p-ej. 0.5, 1, 3 y 24 horas (3, 7 y 14 días si se desea mayor información)

Tapar el recipiente para mantener una atmósfera saturada alrededor de las probetas

Se puede o no sellar los laterales de las probetas (depende de las normas)

Obtener el promedio de dos probetas

Pretratamientos (secar a estufa a 50°C). Este es talón de Aquiles del método, muy sensible al secado.

Se puede hacer sobre la misma probeta, después de medir permeabilidad al gas (Cembureau y/o Torrent)


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21

Succión Capilar vs. kT (datos propios SIA 262/1)

0

5

10

15

20

25

0.001 0.01 0.1 1 10 100

kT (10-16

m²)

Su

cc

ión

a 2

4-h

(g

/m²/

s½

) Laboratorio

Túnel

Puente

Si bien elmétodo IRAM es diferente, elmismo límiteCIRSOC de 4.0para todas lasexposicionesparecedemasiadoexigente

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Succión de Agua: ISAT (B.S. 1881 : Part 5)Lab + “In Situ”

Problemas en la fijación de la celda, en laboratorio y aún másen obra. No aplicable a caras inferiores de losas

Tubo capilar graduadoReservorio

Rubinete

Celda

H°

200

mm

??

12

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Succión de Agua: ISAT (B.S. 1881 : Part 5)

ISA = 0.6 D / dt

donde:

ISA = Velocidad de succión de agua (ml/m²/s)

D = Número de unidades de escala cubierto por laretracción del menisco en el tiempo dt (s)

Absorción ISA (ml/m²/s)Tiempo desde el inicio del ensayo10 min 30 min 60 min 120 min

Alta

Moderada

Baja

> 0.50

0.25-0.50

< 0.25

> 0.35

0.17-0.35

< 0.17

> 0.20

0.10-0.20

< 0.10

> 0.15

0.07-0.15

< 0.07

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Difusión de Cloruros

Ø ≥ 75 mm

ASTM C1556

Ensayo

Descarte

Cara acabada

ASTM C1556: Test Method for Determining the Apparent Chloride Diffusion Coefficient of Cementitious Mixtures by Bulk Diffusion

13

25

Medición del Coeficiente de Difusión a Cloruros

La probeta se mantiene en contacto con la solución mínimo 35 a 90 días. Luego se extraen testigos, se cortan en rodajas o se desgasta en una pulidora y se determina el contenido de cloruros en función de la profundidad.

Se ajusta la solución de la 2a

Ley de Fick a los resultados experimentales, obteniéndose Cs y D. (Life-365)

NaCl 165 g/L

ASTM C1556Cara acabada

o expuesta

El resto de la

probeta es

sellada

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Obtención de D por ajuste a solución a Fick 2a

Solución C(x,t) = Ci + (Cs – Ci) 1 – ferr

Cs = concentración superficial (supuesta constante en el tiempo)Ci = concentración original (contribución de los constituyentes del hormigón)ferr= función error; disponible en Excel modern

También se usa para analizar testigos extraidos de estructuras existentesexpuestas a cloruros.

2 . (D . t) ½x

Al perfil experimental C(x) para el tiempo t de inmersión, se le hace un ajuste matemático de la solución de la 2ª Ley de Fick, obteniéndose los valores de D y Cs (ver software gratuito Life-365)

14

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Aplicación de la 2ª Ley de Fick a ClorurosPerfil de Cloruros a los 90 días (AASHTO T 259)

Efecto de la f'cm28 y relación a/c del Hormigón

0 15 30 45 600

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Profundidad (mm)Clo

ruro

s (

% d

el

pe

so

de

Ce

me

nto

)

20 MPa

a/c= 0.60

38 MPa

a/c= 0.46

75 MPa

a/c= 0.32

D (10 m²/s)

20.9

8.4

4.2

-12

Umbral Depasivación

En ASTM C1556 se requieren análisis en muchás más capas más delgadas!!!. Es un método largo, laborioso y muy delicado!!!

DifusividadDCl

10-12 m²/sDespreciable < 2.5

Muy Baja 2.5 - 5.0Baja 5.0 - 10

Moderada 10 - 15Alta >15

[Gjørv, 2014]

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ASTM 1202:97 - Electrical Indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration

Disco de hormigón (Ø100

x 50 mm)

Cl-

El resultado del ensayo es la carga eléctrica Q

(Coulombs) desplazadaluego de 6 horas de aplicación del voltaje

Electrodos de mallade bronce

15

29


30


16

31

ASTM 1202 - Electrical Indication of Concrete’sAbility to Resist Chloride Ion Penetration

Es un ensayo bastante controvertido, aunque de uso muy difundido. Principales cuestionamientos: Antes de comenzar el ensayo, se genera un gradiente de

concentración de iones (especialmente OH-), por lo que se superpone difusión y migración.

La carga eléctrica medida es la contribución del desplazamiento de TODOS los iones y no sólo de los cloruros, con un papel primordial de los iones OH-.

Por ello, puede distorsionar la comparación de hormigoneshechos con distintos tipos de ligante

Además, para hormigones de baja calidad, la elevadacorriente que pasa genera un aumento considerable de temperatura del sistema, que distoriona los resultados

Problemas con Ca(NO2)2 o materiales conductores (acero)

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ASTM 1202:97 - Rating

Se puede estimar la difusividad a cloruros D como:D (10-12 m²/s) = 0.4 + 0.002 . Q (Coulomb)

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ASTM C1202 Coulombs vs. kT (varias fuentes)

100

1000

10000

100000

0.001 0.01 0.1 1 10 100

kT (10-16

m²)

Cl- M

igra

tio

n (

Co

ulo

mb

s) CH+PT

ES+CH

IL

IN

BR

US

BR

AR

IL

High (+ Very High)

Moderate

Low

Very

Low

34

3% NaCl+ 0.2M KOH

0.2M KOH

-+

20 (a 40) V

Cl-

Disco de hormigón

(50x50 mm)

Este ensayo trata de superar algunos de los problemas del ASTM, esencialmente mediante la medición de la penetración real de cloruros en el hormigón xd.

NordTest NT BUILD 492:1999 y SIA 262/1:2003

18

35

NordTest NT BUILD 492:1999 y SIA 262/1:2003

Después del ensayo (16 ó 24 h) se parte el disco mediante el ensayo brasileño y se aplica un reactivo a base de AgNO3 para revelar la zona de la probeta penetrada por los Cl- (xd).

Ahora es posible calcular el coeficiente de migración de cloruros DCl en función de xd según:

h= espesor del disco (m)T= temperatura media de ambas soluciones durante el ensayo (°C)U= valor medio del voltaje al inicio y al final del ensayo (V)t = duración del ensayo (s)

36

Migración de Cloruros vs kT

19

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Resistividad Eléctrica: Directa vs Superficie

Placa metálica

SaturadaProbeta

de Área A y altura L

Esponja húmeda

Directa: ASTM C1760 Superficie o Wenner:AASHTO/UNE

38

� = �

�

�[Ω.m / kΩ.cm]

Placa metálica

SaturadaProbeta

de Área A y altura L

Esponja húmeda

Resistividad Eléctrica: Método Directo

ASTM C1760

20

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Resistividad Eléctrica Superficial: Wenner

2 π a . V / iρ = (kΩ .cm)

K

K = factor geométricoCuerpo Semi-infinito: K = 1

a

V

i

AASHTO T358UNE 83988-2

40

d = 150 mm; L = 300 mm; a = 38 mm d/a=4; L/a=8 K = 1.4

Wenner Electrical Resistivity: K factor cylinder

[Morris et al, 1996]

21

41

Relación ASTM C1202 vs. Resisitividad Wenner

1

10

100

100 1’000 10’000 100’000Coulombs

ρ(k

Ohm

-cm

)

42

[Giatec,yyyy]

Factores que afectan la resistivida eléctrica del H°

Pro

xim

idad

del

ace

ro

22

43

Difficultades para medir ρ Wenner ‘in-situ’

Infructuoso

Presuel-Moreno et al, 2010]

44

Efecto de vecindad de barras de acero

d=25 mm

d=50 mm

d=75 mm

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Relación entre Propiedades que miden la “Penetrabilidad” del Recubrimiento del hormigón

Los mecanismos de transporte dependen en gran medida de la estructura de poros del hormigón, en particular de su volumen (ε) y tamaño (ro).

Por ello, es común encontrar buenas correlaciones entre los parámetros que definen los distintos mecanismos de transporte.

Esto abre la posibilidad de definir algunos parámetros de transporte, de fácil determinación, como indicadores globales de la “penetrabilidad“ del recubrimiento.

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Ensayos de Transporte

Algunos ensayos, tales como los de Difusión o Permeabilidad al agua, requieren largos períodos de medición, lo que los hace poco prácticos

Los ensayos de permeabilidad a los gases han ganadopopularidad respecto a los de permeabilidad al agua

Asimismo, el coeficiente de transporte D obtenido por Difusión (ensayos de larga duración) sería, en teoría, igual al de Migración (ensayos de corta duración)

Eso hace ganar popularidad a los ensayos de Migración, en particular al ASTM C1202 y al NT Build 429, así como a la resistividad eléctrica

Ganan importancia los métodos ND para medirparámetros de transporte “in situ”: p.ej. Permeabilidad al Aire

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47

1. Kropp, J. and Hilsdorf, H.K. (Eds.), “Performance criteria for concrete durability”, RILEM Report 12, TC 116-PCD (Permeability of Concrete as a Criterion of its Durability), E & FN Spon, London, 1995, 323 p.

2. Torrent R. and Fernández Luco L. (Eds.), “Non-Destructive Evaluation of the Concrete Cover”, RILEM Report 40, 2007.

3. RILEM TC116-PCD (Permeability of Concrete as a Criterion of its Durability), Recommendations, "Measurement of the Gas Permeability of Concrete by the RILEM-CEMBUREAU Method“ and “Determination of the Capillary Absorption of Water of Hardened Concrete”, Mater. & Struct., v. 32, April 1999, pp. 174-179.

4. RILEM TC 154-EMC, "Recommendation for the measurement of electrical resistivity", Mater. & Struct., v.33, Dec. 2000, pp. 603-611, (Section 6.6.2).

5. M. Romer, RILEM TC 189-NEC "Non-destructive evaluation of the concrete cover": Comparative test - Part I: Comparative test of 'penetrability' methods, Materials and Structures, v. 38, n. 284, Dec. 2005, pp. 895 - 906.

6. ASTM Standard C1202-97, "Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration".

7. Norma EN 12390-8, "Profundidad de penetración de agua bajo presión“, Versión Española, AENOR, 2001.

8. NT BUILD 492:1999, "Chloride diffusivity in hardened concrete", Nordtest, 1999.

9. British Standards Institution, "Methods of testing hardened concrete for other than strength", BS1881, Part 208, 1996.

10. Standard SIA 262/1: 2019, "Concrete Structures - Supplementary Specifications" describes in several Annexes some tests related to transport mechanisms in concrete:

Annex A: Water sorptivity

Annex B: Resistance to Chlorides

Annex E: On Site Air Permeability

Annex I: Accelerated Carbonation

Bibliografía

48

11. Villagrán Zaccardi, Y., Taus, V.L. y Di Maio, A.A., “Propiedades de transporte de hormigón con cementopuzolánico”, Ciencia y Tecnol. de los Mater., n6, 2016, 12 p.

12. EHE-08 (2008). "Instrucción de Hormigón Estructural". Spanish Concrete Code.

13. Van Eijk, R.J. (2009). "Evaluation of concrete quality with Permea-TORR, Wenner Probe and Water Penetration Test". KEMA Report, Arnhem, The Netherlands, 8 July 2009 (in Dutch), 48p.

14. Gjørv O.E. (2014). "Durability Design of Concrete Structures in Severe Environments", 2nd Ed., Taylor & Francis, UK, 254 p.

15. Morris W., Moreno E.I. and Sagüés A.A. (1996). "Practical evaluation of resistivity of concrete in test cylinders using a Wenner array probe“, Cem. & Concr. Res., v.26, n.12, pp. 1779-1787.

16. Giatec (yyyy) http://www.giatecscientific.com/knowledge-center/electrical-resistivity-of-concrete/

17. Presuel-Moreno, F.J., Suares, A. and Liu, Y.: "Characterization of new and old concrete structures using surface resistivity measurements", FDOT, Final Report, August 1, 2010, 279 p.

Bibliografía

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