NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325 1997-11-26
INGENIERÍA CIVIL Y ARQUITECTURA. MÉTODO DE ENSAYO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL PULSO ULTRASÓNICO A TRAVÉS DEL CONCRETO
E:
CIVIL ENGINEERING AND ARCHITECTURE. RECOMMENDATIONS FOR MEASUREMENT OF VELOCITY OF ULTRASONIC PULSES IN CONCRETE.
CORRESPONDENCIA: CORRESPONDENCIA:
esta norma es equivalente (EQV) a la BS 1881: Parte 203
DESCRIPTORES:
método de ensayo; concreto, hormigón
I.C.S.: 91.100.30: 19.020.00 Editada por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) Apartado Apartado 14237 Bogotá, Bogotá, D.C. Tel. 6078888 6078888 Fax 2221435 2221435
Prohibida su reproducción
PRÓLOGO El Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC, es el organismo nacional de normalización, según el Decreto 2269 de 1993.
ICONTEC es una entidad de carácter privado, sin ánimo de lucro, cuya Misión es fundamental para brindar soporte y desarrollo al productor productor y protección al consumidor. Colabora con el el sector gubernamental y apoya al sector privado del país, para lograr ventajas competitivas en los mercados interno y externo. La representación de todos los sectores involucrados en el proceso de Normalización Técnica está garantizada por los Comités Técnicos y el período de Consulta Pública, este último caracterizado por la participación del público en general. La NTC 4325 fue ratificada por el Consejo Directivo de 1997-11-26. Esta norma está sujeta a ser actualizada permanentemente con el objeto de que responda en todo momento a las necesidades y exigencias actuales. A continuaci continuación ón se relacio relacionan nan las empre empresas sas que colabo colaboraron raron en en el estudio estudio de esta norma norma a través través de su participación en el Comité Técnico 369901 “Concreto, mortero y agregados” a cargo de la Secretaría Técnica de Normalización: Normalización: Asocreto AGRECON AGRECON S. A. A. ASOCRETO ASOCRETO CITEC COMPAÑÍA DE CEMENTOS ARGOS S. A. CONCRETOS PREMEZCLADOS S. A. CONSTRUCTORA COLPATRIA CORPORACIÓN DIAMANTE
ECOPETROL GRUPO DIAMANTE SAMPER INGEYMA LTDA. LABORATORIOS URBAR SIKA ANDINA S. A. TOXEMENT
Además Además de las anteriores anteriores,, en consulta consulta pública pública el proyecto proyecto se puso a considera consideración ción de las siguientes empresas: ÁCIDOS ÁCIDOS DE ANTIOQUIA ANTIOQUIA BASF QUÍMICA COLOMBIANA CEMENTOS BOYACÁ S. A. CENTRO DE METROLOGÍA SIC COLCRETO S. A. DIRIMPEX LTDA. MANUFACTURAS MANUFACTURAS DE CEMENTO TITÁN
MDIE LTDA. MTB-TECNOCONCRETO S. A. RINA LTDA. SUPERINTENDENCIA DE INDUSTRIA Y COMERCIO UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
ICONTEC cuenta con un Centro de Información que pone a disposición de los interesados normas internacionales, regionales y nacionales. DIRECCIÓN DE NORMALIZACIÓN
PRÓLOGO El Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC, es el organismo nacional de normalización, según el Decreto 2269 de 1993.
ICONTEC es una entidad de carácter privado, sin ánimo de lucro, cuya Misión es fundamental para brindar soporte y desarrollo al productor productor y protección al consumidor. Colabora con el el sector gubernamental y apoya al sector privado del país, para lograr ventajas competitivas en los mercados interno y externo. La representación de todos los sectores involucrados en el proceso de Normalización Técnica está garantizada por los Comités Técnicos y el período de Consulta Pública, este último caracterizado por la participación del público en general. La NTC 4325 fue ratificada por el Consejo Directivo de 1997-11-26. Esta norma está sujeta a ser actualizada permanentemente con el objeto de que responda en todo momento a las necesidades y exigencias actuales. A continuaci continuación ón se relacio relacionan nan las empre empresas sas que colabo colaboraron raron en en el estudio estudio de esta norma norma a través través de su participación en el Comité Técnico 369901 “Concreto, mortero y agregados” a cargo de la Secretaría Técnica de Normalización: Normalización: Asocreto AGRECON AGRECON S. A. A. ASOCRETO ASOCRETO CITEC COMPAÑÍA DE CEMENTOS ARGOS S. A. CONCRETOS PREMEZCLADOS S. A. CONSTRUCTORA COLPATRIA CORPORACIÓN DIAMANTE
ECOPETROL GRUPO DIAMANTE SAMPER INGEYMA LTDA. LABORATORIOS URBAR SIKA ANDINA S. A. TOXEMENT
Además Además de las anteriores anteriores,, en consulta consulta pública pública el proyecto proyecto se puso a considera consideración ción de las siguientes empresas: ÁCIDOS ÁCIDOS DE ANTIOQUIA ANTIOQUIA BASF QUÍMICA COLOMBIANA CEMENTOS BOYACÁ S. A. CENTRO DE METROLOGÍA SIC COLCRETO S. A. DIRIMPEX LTDA. MANUFACTURAS MANUFACTURAS DE CEMENTO TITÁN
MDIE LTDA. MTB-TECNOCONCRETO S. A. RINA LTDA. SUPERINTENDENCIA DE INDUSTRIA Y COMERCIO UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
ICONTEC cuenta con un Centro de Información que pone a disposición de los interesados normas internacionales, regionales y nacionales. DIRECCIÓN DE NORMALIZACIÓN
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
INGENIERÍA CIVIL Y ARQUITECTURA. MÉTODO DE ENSAYO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL PULSO ULTRASÓNICO A TRAVÉS DEL CONCRETO
1.
OBJETO
Esta norma cobija las especificaciones para el ensayo no destructivo de especímenes de concreto no reforzado, reforzado, concreto reforzado, reforzado, concreto pretensado, pretensado, elementos prefabricados prefabricados y estructuras de concreto, mediante la determinación de la velocidad del pulso ultrasónico .
2.
DEFINICIONES
Tiempo de tránsito: tiempo necesario para que un pulso ultrasónico viaje del transductor 2.1 emisor al transductor receptor, luego de pasar a través del concreto interpuesto entre los dos.
2.2
Frente de onda: frente de entrada del pulso detectado por los aparatos de medición.
3.
APLICACIONES
La medición de la velocidad de pulsos ultrasónicos de vibración longitudinal que atraviesan el concreto puede ser usada para las aplicaciones aplicaciones que se describen en detalle en los numerales 8 al 12, a saber: a)
Determinación de la uniformidad del concreto de un elemento o entre elementos (Véase el numeral 8).
b)
La detección de grietas y la evaluación aproximada de su tamaño, así como de vacíos y otros defectos defectos del concreto (Véase (Véase el numeral numeral 9)
c)
La medición de los cambios en las propiedades del concreto a través del tiempo (Véase el numeral 10).
d)
La correlación de la velocidad del pulso con la resistencia mecánica del concreto, como una medida de la calidad calidad del mismo (Véase el el numeral 11).
1
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA e)
NTC 4325
La determinación en el concreto del módulo de elasticidad y del módulo dinámico de Poisson (Véase el numeral 12).
La velocidad de un pulso ultrasónico se ve influenciada por aquellas propiedades del concreto que determinan su comportamiento elástico y su resistencia mecánica. Las variaciones obtenidas en la velocidad de un conjunto de ondas medida a lo largo de diferentes dimensiones de un elemento estructural reflejan la correspondiente variación en el estado del concreto que lo compone (Véase el numeral 8). Cuando se presenta en el concreto bajo ensayo una zona mal compactada, hormigueros o material deteriorado, se presenta una correspondiente reducción en la velocidad del pulso calculada y esto permite la determinación aproximada de la extensión, de la imperfección o del daño (Véase el numeral 9). Según el concreto madure o se deteriore, los cambios que ocurran con el tiempo en su estructura deben ser reflejados por un incremento o una reducción de la velocidad del pulso ultrasónico, respectivamente. Esto permite monitorear los cambios haciendo ensayos a intervalos de tiempo apropiados (Véase el numeral 10). Las mediciones de la velocidad del pulso en estructuras de concreto pueden ser usadas para el control de la calidad. En comparación con los ensayos de resistencia mecánica hechos sobre cubos o cilindros, las mediciones de la velocidad del pulso tienen la ventaja de que están directamente relacionadas con el concreto de la estructura y no con muestras que a menudo no son representativas del concreto in situ. En la mayoría de los casos, la velocidad del pulso puede estar relacionada con los resultados de otros ensayos sobre los componentes estructurales y debe hacerse uso de ella cuando sea posible establecer una correlación con la resistencia u otra propiedad requerida en dichos componentes. Tales correlaciones pueden ser fácil y directamente establecidas para prefabricados así como para estructuras fundidas in situ (Véase el numeral 11). Se pueden establecer relaciones empíricas entre la velocidad del pulso y los módulos estático y dinámico de elasticidad, así como entre dicha velocidad y la resistencia del concreto (Véase el numeral 12). Esta última relación se ve influenciada por un cierto número de factores entre los que se incluyen: el tipo y contenido de cemento, los aditivos usados, el tipo y tamaño máximo del agregado, las condiciones de curado y la edad del concreto. Se debe tener precaución cuando se intente expresar los resultados de ensayos de velocidad de pulso en términos de resistencia o de propiedades elásticas, especialmente con resistencias que excedan los 60 MPa.
4.
PRINCIPIO DEL ENSAYO
Un pulso de vibraciones longitudinales es producido por un transductor electroacústico puesto en contacto con una de las superficies del elemento de concreto bajo estudio. Luego de atravesar una longitud conocida (L) en el concreto, el pulso de las vibraciones es convertido en una señal electroacústica por un segundo transductor. Circuitos electrónicos permiten medir el tiempo de tránsito del pulso (T).
2
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
La velocidad del pulso (V) expresada en km/s o en m/s viene dada por: V =
L T
Donde: L
=
longitud de la trayectoria
T
=
tiempo que requiere el pulso para atravesar tal longitud.
Se usa un pulso de vibraciones ultrasónicas en lugar de una frecuencia sónica por dos razones fundamentales: a)
Para dotar al pulso de un frente de entrada nítido
b)
Para generar la máxima energía en la dirección de propagación del pulso.
Cuando el pulso es introducido por un transductor en el concreto, experimenta múltiples reflexiones en las interfases de los diferentes materiales que componen el concreto.Se desarrolla entonces un complejo sistema de ondas de tensión que incluyen ondas tanto longitudinales como transversales propagándose dentro del concreto. El transductor receptor detecta la llegada de la componente del pulso que arribe primero.
5.
APARATOS DE MEDICIÓN
5.1
GENERALIDADES
Los aparatos consisten, esencialmente, de un generador eléctrico de pulsos, un par de transductores, un amplificador y un controlador electrónico de tiempo que permite medir el intervalo de tiempo entre la salida de un pulso del transductor emisor y la llegada al transductor receptor. Existen dos tipos de controladores de tiempo y de pantallas, uno que usa un tubo de rayos catódicos y permite ver en la pantalla el pulso recibido en una escala dada de tiempo, el otro usa un medidor de intervalos de tiempo y una pantalla en la cual aparece directamente la lectura en forma digital.
5.2
CARACTERÍSTICAS DE DESEMPEÑO
Los aparatos deben tener las siguientes características: a)
Deben ser capaces de medir tiempos de tránsito para longitudes que varían entre 100 mm y 3 m (Véase el numeral 5.7), con una precisión del 1 % determinada de acuerdo con el numeral 5.6.
3
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
5.3
NTC 4325
b)
La excitación electrónica del pulso aplicado debe tener un tiempo de ascenso no mayor que la cuarta parte del periodo natural del transmisor emisor. Esto es necesario para garantizar un frente de entrada nítido.
c)
El intervalo entre pulsos debe ser lo suficientemente largo para asegurar que el arribo de la señal de llegada en especímenes pequeños de concreto, está libre de interferencias provenientes del reflejo producido en el ciclo de trabajo anterior.
d)
Los aparatos deben mantener su desempeño en los rangos de trabajo del equipo: temperatura, humedad ambiental y voltaje establecidos por el fabricante.
TRANSDUCTORES
5.3.1 Tipos Puede usarse cualquier tipo de transductores que trabajen dentro del rango de frecuencias establecido en el numeral 5.3.2. Normalmente se usan transductores de tipo piezoeléctrico y de tipo magnetoestrictivo, este último es más utilizado para la parte baja del rango de frecuencias.
5.3.2 Frecuencia natural de los transductores La frecuencia natural de los transductores debe estar entre 20 kHz y 150 kHz, sin embargo puede ser necesario usar frecuencias tan bajas como 10 kHz para hacer mediciones de la velocidad de tránsito del pulso en elementos muy largos y a veces, por el contrario, puede requerirse frecuencias hasta de 1 MHz para el ensayo en morteros y morteros de relleno. Los pulsos de alta frecuencia tienen frentes de onda muy bien definidos pero, cuando atraviesan el concreto, son atenuados más rápidamente que pulsos de frecuencias mas bajas. Por consiguiente es preferible usar transductores de más alta frecuencia para elementos de dimensiones pequeñas y transductores de más baja frecuencia para elementos de mayor longitud. Para la mayoría de las aplicaciones los transductores con frecuencias de 50 kHz a 60 kHz tienen un buen desempeño.
5.4
DETERMINACIÓN DEL TIEMPO DE LLEGADA DEL FRENTE DE PULSO.
5.4.1 Generalidades El objetivo de la prueba es la determinación del tiempo que requiere el frente de pulso para atravesar el concreto. Como se explicó en el numeral 5.3.2, el frente de pulso va a estar más o menos definido en función de la distancia con el pulso que lo precedió. Por esta razón es necesario que el aparato pueda leer la llegada de la parte inicial del pulso. Es técnicamente posible separar la señal del ruido de fondo siempre que la relación entre señal y ruido sea menor que 1. La precisión requerida del 1 % del tiempo de tránsito medido sólo se puede alcanzar si dicha relación es mayor que 1.
5.4.2 Osciloscopio de rayos catódicos En el caso de aparatos controladores de tiempo en los cuales es usada una pantalla de rayos catódicos, el pulso recibido debe amplificarse hasta el máximo nivel posible, el cual está limitado únicamente por la apariencia de “césped” que tendrá la señal en el eje del tiempo. El frente del pulso puede ser tomado como el punto de tangencia de la señal curva con la línea horizontal del tiempo base. Como una alternativa se puede usar también cualquier otra característica bien definida de la curva.
4
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
5.4.3 Instrumentos digitales Cuando se usan instrumentos digitales, el pulso recibido debe amplificarse y perfilarse hasta el nivel y el tiempo de ascenso requeridos para la activación del temporizador digital. El temporizador debe activarse a partir de un punto sobre el frente de avance del pulso en un tiempo que satisfaga el rango de precisión especificado en el numeral 5.2. Sin embargo, la precisión del instrumento está siempre limitada por la relación señal/ruido. Al utilizar aparatos de indicación digital, hay ocasiones en las que la segunda onda del pulso, en lugar de la primera, activa el instrumento. Los patrones generales de resultados deben permitir eliminar los errores de interpretación provenientes de esta causa.
5.5
CALIBRACIÓN DEL CERO PARA EL TEMPORIZADOR
Es necesario establecer la lectura correcta del cero del aparato, ya que la lectura indicada está influida por una demora en el tiempo debida tanto a la transmisión del pulso a través del material del transductor, como a la transmisión de la señal eléctrica a través de los cables de los tranductores. El aparato debe disponer de un ajuste del tiempo de espera, de tal manera que las lecturas que indique sean independientes de dicho efecto. El ajuste del tiempo de espera debe hacerse acoplando los dos transductores en los extremos de una barra de referencia, para la cual el tiempo de tránsito es conocido exactamente. En el numeral 5.6 se describe una de estas barras típicas. Es importante que se adopte siempre la misma técnica y material de acople para unir los tranductores a la barra de calibración del cero. Se debe usar una cierta cantidad de grasa gruesa (u otro material adecuado) para garantizar un buen acople y se debe presionar con firmeza los tranductores sobre los extremos de la barra de calibración para garantizar una lectura correcta. Debe evitarse cualquier otro procedimiento ya que conduce a errores de calibración del cero. La calibración del cero debe efectuarse cada vez que se vaya a usar el equipo, cuando los tranductores se hayan cambiado e inclusive intercambiado y cuando se trabaje con otra longitud de cables o cables diferentes. Es conveniente hacer verificaciones repetitivas del cero del aparato, dependiendo de la estabilidad de los circuitos y de los cables.
5.6
CONTROL DE LA EXACTITUD DE LAS MEDICIONES DE TIEMPO DE TRÁNSITO
La exactitud de las mediciones de tiempo de tránsito depende de la exactitud del equipo electrónico utilizado para medir los intervalos de tiempo y también de su sensibilidad para detectar la aparición del pulso. El desempeño general debe ser controlado haciendo mediciones en dos barras diferentes para las cuales se conozca con exactitud el tiempo de tránsito del pulso a través de ellas. Nota 1. En caso de que sea necesario verificar la exactitud del valor de tiempo de tránsito del pulso indicado sobre la barra de calibración, este puede ser confirmado mediante pruebas adelantadas en un laboratorio de física reconocido.
5
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
Las dos barras de referencia deben tener tiempos de tránsito de aproximadamente 25 µs y 100 µs, respectivamente. La barra más corta debe ser usada para calibrar el cero del equipo, como se explicó en el numeral 5.5. La barra de referencia más larga debe ser usada para controlar la exactitud del aparato para la determinación del tiempo de tránsito del pulso. El uso de la barra más larga normalmente no se hace necesario, ya que se asume que el fabricante del equipo lo ha controlado a este respecto. Las mediciones se llevan a cabo sobre éstas colocando los tranductores sobre los extremos de las barras y determinando el tiempo de tránsito, como se describe en el numeral 5.4. Las lecturas obtenidas no deben diferir en más del ± 0,5 %. Nota 2. El fabricante normalmente establece los tiempos de tránsito en las barras de calibración con una precisión de ± 0,2 µs.
5.7
EXACTITUD EN LA MEDICIÓN DE LA LONGITUD DE LA TRAYECTORIA DEL PULSO
La exactitud requerida en la medición de la longitud de la trayectoria del pulso debe ser de ± 1 %. En el caso de que la medición de esta longitud no sea físicamente posible, se debe usar la dimensión nominal y la tolerancia, de acuerdo a lo especificado por el fabricante, y se debe informar el hecho de que la longitud no se pudo medir. Cuando se hacen ensayos de determinación de velocidad de pulso en esta forma, sobre trayectorias menores a 300 mm, se producen errores inaceptables.
6.
DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL PULSO
6.1
INSTALACIÓN DE LOS TRANSDUCTORES
El transductor receptor detecta la llegada del componente del pulso que llega primero. Este es generalmente el frente de entrada de la vibración longitudinal. Si bien la dirección en la cual la máxima energía es propagada forma ángulos rectos con la cara del transductor transmisor, es posible detectar pulsos que han viajado a través del concreto en cualquier otra dirección. Es factible, por lo tanto, realizar mediciones de velocidad de pulso colocando los transductores sobre: a)
Caras opuestas (transmisión directa)
b)
Caras adyacentes (transmisión semidirecta)
c)
La misma cara (transmisión indirecta o de superficie)
Estas tres formas de instalación de los transductores se muestran en las Figuras 1(a), 1(b) y 1(c). La Figura 1(a) muestra los transductores enfrentados directamente uno al otro sobre caras opuestas del concreto. Sin embargo es necesario algunas veces colocar los transductores en caras opuestas, pero no directamente enfrentados. Tal tipo de instalación se conoce como transmisión semi-directa.
6
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
Siglas Transmisor (T) Receptor (R)
Figura 1. Métodos de propagación y recepción de pulsos ultrasónicos
6.2
DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL PULSO EN LA TRANSMISIÓN DIRECTA
Siempre que sea posible debe preferirse la transmisión directa ya que en este caso la energía entre transductores está en su máximo y la precisión de la medición depende solamente de la exactitud con que se mida la longitud de la trayectoria. El material de acople (grasa gruesa) debe extenderse formando una capa fina que permita la correcta transmisión sin afectar el resultado por efecto de la diferente velocidad del pulso a través del concreto y del material de acople.
6.3
DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL PULSO EN LA TRANSMISIÓN SEMIDIRECTA
La transmisión semidirecta tiene una sensibilidad intermedia respecto a los otros tipos de instalación y, aunque se presenta una cierta reducción en la exactitud de la medición de la longitud de la trayectoria, se ha determinado que es suficientemente preciso tomar esta longitud como la distancia entre centros de las caras de los transductores. Exceptuando lo anterior esta instalación es similar a la transmisión directa.
7
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA 6.4
NTC 4325
DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL PULSO POR TRANSMISIÓN INDIRECTA O DE SUPERFICIE
La determinación indirecta debe usarse cuando sólo una cara del concreto es accesible, cuando se quiere determinar la profundidad de una grieta en la superficie o cuando la calidad de la superficie en relación con la del conjunto sea de interés (Véase el numeral 9). Este tipo de transmisión es la de menor sensibilidad y, para una longitud de trayectoria dada, produce en el transductor receptor una señal que tiene una amplitud de sólo el 2 % ó 3 % de la que se produce por transmisión directa. Además este tipo de disposición proporciona mediciones de la velocidad de pulso que están usualmente influenciadas por el concreto cercano a la superficie. En esta zona normalmente el concreto tiene una composición diferente a la del concreto que se encuentra en el interior del elemento y los ensayos pueden resultar no representativos de dicho concreto. La velocidad determinada por transmisión indirecta siempre es menor que la obtenida por transmisión directa en el mismo elemento de concreto. Esta diferencia puede variar entre el 5 % y el 20 % dependiendo en gran medida de la calidad del concreto en estudio. En cuanto sea posible se deben hacer mediciones in situ para determinar dicha diferencia. Con la transmisión indirecta hay cierta incertidumbre referente a la longitud exacta de la trayectoria a causa de la gran extensión del área de contacto entre transductores y concreto. Por lo tanto es preferible hacer una serie de lecturas colocando los transductores a diferentes distancias para eliminar dicha incertidumbre. Para realizar esto se coloca el transductor emisor en un punto fijo x y el transductor receptor en diferentes puntos sobre una línea recta localizada en la superficie, haciendo incrementos de x n . Los tiempos de transmisión medidos se dibujan en un gráfico relacionándolos con la distancia entre transductores. La línea (b) en la Figura 2, muestra un ejemplo de dicha calibración del ensayo. Se debe calcular la pendiente de la línea recta que mejor se adapte a los puntos dibujados, la cual es la velocidad promedio del pulso a lo largo de la línea escogida sobre la superficie del concreto. Cuando los puntos determinados mediante el procedimiento anterior muestran una discontinuidad, es comúnmente debida a una grieta en la superficie o a la presencia en dicha superficie de una capa de concreto de menor calidad (véase numeral 9.4) y la velocidad medida no es confiable.
8
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
a)
Resultados para concreto con los primeros 50 mm de inferior calidad (véase numeral 9.4).
b)
Resultados para concreto homogéneo (véase numeral 6.4)
Figura 2. Determinación de la velocidad del pulso mediante transmisión indirecta o de superficie
9
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA 6.5
NTC 4325
ACOPLAMIENTO DE LOS TRANSDUCTORES EN EL CONCRETO
Para asegurar que los pulsos ultrasónicos generados en el transductor emisor pasan a través del concreto y son luego detectados por el transductor receptor, es necesario realizar un acople acústico adecuado entre el concreto y las caras de cada uno de los transductores en contacto con él. En la mayoría de las superficies de concreto, el acabado es suficientemente liso para asegurar un buen contacto acústico mediante el uso de un medio de acople y presionando suficientemente el transductor contra la superficie de concreto. Los medios de acople son: vaselina, grasa, jabón blando o una pasta de caolín/glicerol. Es muy importante controlar que sólo una fina capa de material de acople separa la superficie del concreto del transductor en contacto. Por esta razón, se deben hacer repeticiones en las lecturas del tiempo de tránsito, hasta que determine un valor mínimo de velocidad del pulso que indique que el medio de acople fue aplicado en una capa delgada. Siempre que sea posible, los transductores deben estar en contacto con capas de concreto que han sido fundidas directamente contra la formaleta o el molde respectivo. Aquellas superficies que se han formado de otra manera, por ejemplo llenando y alisando con palustre, pueden presentar propiedades diferentes que las del cuerpo principal del material. Cuando se tenga que trabajar sobre dichas superficies las mediciones deben hacerse sobre una longitud de trayectoria mayor que la que normalmente se utiliza. Si se efectúa transmisión directa que involucre como mínimo una superficie no moldeada se recomienda una longitud mínima de trayectoria del pulso de 150 mm, si la transmisión es indirecta se recomienda una longitud mínima de trayectoria de 400 mm a lo largo de una superficie no moldeada. Cuando la superficie de concreto sea muy rugosa y dispareja, se debe proceder a alisar y nivelar el área donde el transductor se va a aplicar. Como una alternativa se puede usar un mortero epóxico de rápido endurecimiento o un estuco para resanar la superficie y lisa. Debe asegurarse una muy buena adherencia entre estos materiales y el concreto, para garantizar una correcta transmisión del pulso a través del concreto en ensayo. La capa de material de resane debe ser tan delgada como sea posible. Si es necesario hacer un relleno considerable, debe entonces tenerse en cuenta la velocidad del pulso a través de la capa de material de resane. Con el fin de obviar el problema de tener buen contacto acústico entre los transductores y una superficie de concreto, que no es suficientemente lisa como para usar un medio delgado de acople, se han diseñado transductores especiales que emiten o reciben el pulso a través de sondas integrales que tiene un diámetro de 6 mm en la punta. Los transductores receptores con punta hemisférica han mostrado un desempeño satisfactorio en la recepción de la señal, sin embargo el transmisor no imparte suficiente energía dentro de la superficie del concreto como para asegurar la transmisión sobre longitudes de trayectoria cortas. Otros tipos de traductores se han desarrollado para adaptarlos a circunstancias especiales. Se ha notado que siempre es necesario un ajuste del cero cuando se usan transductores especiales. Un montaje inadecuado de los transductores se traduce por lo regular en un alto grado de fluctuación; es suficiente con un aceptable grado de acoplamiento para que la lectura digital rápidamente se estabilice.
10
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
7.
FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS MEDICIONES DE VELOCIDAD DEL PULSO
7.1
GENERALIDADES
Es necesario tener en cuenta varios factores que pueden influir en la velocidad del pulso y su correlación con varias propiedades físicas del concreto, si se quiere obtener mediciones de velocidad de pulso reproducibles y que dependan exclusivamente de las propiedades del concreto bajo estudio.
7.2
CONTENIDO DE HUMEDAD
El contenido de humedad tiene dos efectos sobre la velocidad del pulso, uno químico y el otro físico. Estos efectos son de importancia al establecer correlaciones para estimar la resistencia a compresión del concreto. Entre la velocidad del pulso a través de un cubo estándar de concreto, adecuadamente curado, y la velocidad del pulso a través de un elemento estructural elaborado con el mismo concreto hay diferencias significativas. La diferencia más importante está relacionada con el efecto de diferentes condiciones de curado sobre la hidratación del cemento, mientras que la presencia de agua en los poros tiene un efecto menor. De todas maneras es de importancia tener en cuenta todos estos efectos al estimar la resistencia.
7.3
TEMPERATURA DEL CONCRETO
Se ha encontrado que las variaciones de la temperatura dentro del rango de 10 °C a 30 °C no tienen un efecto significativo sin la existencia de cambios correspondientes en la resistencia o en las propiedades elásticas. Las correcciones a las mediciones de velocidad del pulso se deben hacer sólo si la temperatura se sale del rango anteriormente citado y pueden hacerse de acuerdo con la Tabla No.1. Tabla No. 1 : Efecto de la temperatura en la transmisión del pulso ultrasónico
Temperatura °C 60 40 20 0 -4
7.4
Factores de corrección en la medida de la velocidad de pulso Concreto seco al aire Concreto saturado en agua % % +5 +4 +2 + 1.7 0 0 - 0.5 -1 - 1.5 - 7.5
LONGITUD DE LA TRAYECTORIA
La longitud de la trayectoria sobre la cual se va a determinar la velocidad del pulso debe ser lo suficientemente larga para que no se vea influenciada de manera significativa por la heterogeneidad natural del concreto. Se recomienda que, excepto para las condiciones expuestas en el numeral 7.5, la longitud mínima de trayectoria del pulso sea de 100 mm para concreto con agregado de tamaño máximo nominal menor o igual a 20 mm y de 150 mm para concreto con agregado de tamaño máximo nominal entre 20 mm y 40 mm. La velocidad del pulso no se ve, por lo general, afectada por los cambios en la longitud de la trayectoria, sin embargo el aparato de control electrónico del tiempo puede mostrar una tendencia a reducir ligeramente la velocidad cuando se incrementa la longitud de la trayectoria. Esto se debe a que los componentes del pulso de frecuencia más alta se ven más atenuados que los componentes de menor frecuencia y la forma del frente de entrada se hace más redondeada al incrementarse la distancia recorrida. De esta manera, la aparente reducción en la velocidad
11
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
del pulso surge de la dificultad de definir exactamente el frente del mismo y esto depende del método particular que se use para su definición. Esta aparente reducción de la velocidad es usualmente pequeña y cae dentro de la tolerancia en la exactitud de medida del tiempo dada en el numeral 5.2.
7.5
FORMA Y TAMAÑO DEL ESPÉCIMEN
La velocidad de pulsos cortos de vibración es independiente del tamaño y la forma del espécimen en el cual viajen, excepto cuando la menor dimensión lateral del elemento sea menor que un cierto valor mínimo. Por debajo de este valor, la velocidad del pulso puede verse reducida considerablemente. El tamaño de la reducción depende primordialmente de la relación entre la longitud de onda de la vibración del pulso y la menor dimensión lateral del espécimen, pero es insignificante si dicha relación es menor que la unidad. La Tabla No.2 proporciona la relación entre la velocidad del pulso en el concreto, la frecuencia de los transductores y la mínima dimensión lateral permisible para el espécimen. Si la mínima dimensión lateral es menor que la longitud de onda o si se está utilizando el arreglo para transmisión indirecta, el modo de propagación cambia y, por lo tanto, la velocidad medida es diferente. Esto es particularmente importante en los casos en que se esté comparando elementos de concreto de tamaños significativamente diferentes. Tabla No.2 : Efecto de las dimensiones del espécimen en la trasmisión del pulso
Frecuencia del transductor
Velocidad de pulso en el concreto en (km/s)
kHz
Vc= 3,5 Vc= 4,0 Vc= 4,5 Dimensión lateral mínima permisible del elemento mm mm mm
24 54 82 150
7.6
146 65 43 23
167 74 49 27
188 83 55 30
EFECTO DEL ACERO DE REFUERZO
7.6.1 Generalidades La velocidad del pulso medida en concreto reforzado en la vecindad del acero de refuerzo es normalmente mayor que en concreto que tenga la misma composición pero no esté reforzado. Esto se debe a que la velocidad del pulso en el acero es hasta dos veces mayor que en el concreto simple y, bajo ciertas condiciones, el primer pulso en llegar al transductor receptor viaja parcialmente en el concreto y parcialmente en el acero.
12
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
El incremento aparente en la velocidad depende de la proximidad de la medición con el acero de refuerzo, el diámetro, el número de barras y su orientación con respecto a la trayectoria de propagación. Tanto la frecuencia del pulso como las condiciones superficiales de la barra pueden influir en el grado con que el acero afecta las mediciones de velocidad. Las correcciones por el refuerzo en los valores determinados pueden reducir la exactitud de la velocidad del pulso estimada. Por esta razón, siempre que sea posible, debe evitarse la presencia de acero de refuerzo en o cerca a la trayectoria del pulso entre transductores. Puede hacerse uso de detectores de armaduras para localizar el acero de refuerzo. Véase la BS 1881:Parte 204.
7.6.2 Ejes de barras de refuerzo paralelas a la dirección de propagación Cuando sea factible, debe escogerse la posición de las trayectorias en las cuales los pulsos se propagan de tal manera que se evite la vecindad de barras de refuerzo paralelas a dichas trayectorias. Si esto no es posible, se deben corregir los valores de velocidad del pulso teniendo en cuenta la presencia del acero. La corrección depende de la distancia entre la línea de la trayectoria y el borde del acero más cercano, el diámetro de la barra y la velocidad del pulso en el concreto que la rodea. La velocidad del pulso en el concreto Vc (km/s) viene dada por:
Vc =
2aVs (4a 2 + (Tv s − L) 2 )
(2) Donde: Vs
=
velocidad del pulso en la barra de acero (km/s) a = desviación, medida como la distancia entre la superficie de la barra y la línea que une los puntos más cercanos de los dos transductores (mm) véase Figura 3. T
=
tiempo de tránsito (µs)
L
=
longitud de la trayectoria directa entre transductores (mm)
La influencia de acero desaparece cuando:
a L
>
1 2
( Vs - Vc) ( Vs - Vc)
con lo cual la ecuación 2 no es
aplicable. La zona en la cual el acero puede influir en las determinaciones depende entonces de los valores relativos de la velocidad de pulso en el acero y en el concreto, pero se puede esperar un límite superior de a/L cercano a 0,25 para barras de gran diámetro embebidas en concreto de baja calidad. En concreto de alta calidad el valor límite de a/L no es mayor que 0,15 y puede ser incluso menor si el diámetro de la barra es menor o igual que 12 mm. Cuando el diámetro de las barras es menor o igual que 6 mm es prácticamente imposible detectarlas y para fines prácticos pueden ser ignoradas.
13
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
La mayor dificultad al aplicar la ecuación 2 reside en l a decisión sobre el valor de Vs, ya que está influenciado por el diámetro de la barra y la velocidad del pulso en el concreto circundante. La medida de Vs puede efectuarse propagando un pulso a lo largo del eje de la barra embebida, teniendo en cuenta el recubrimiento de concreto en ambos extremos. La ecuación 2 puede ser modificada para que aparezca como: Vc = kVm
(3)
Donde: Vm
=
velocidad aparente del pulso leída
k
=
factor de corrección dado por:
L T
(Km/s)
k = γ + 2 ( La ) (1 − γ 2 )
en la cual
γ =
Vc Vs
Los valores típicos de γ para una frecuencia de 54 kHz están graficados en la Figura 3 para los rangos comunes de Vc y diferentes diámetros de barras de refuerzo. El valor de γ obtenido de esta figura, para una Vc asumida, puede ser usado en unión de la Figura 4 para encontrar un estimativo del valor de k a usar en la ecuación 3. Puede ser necesario hacer un proceso iterativo para estimar confiablemente Vc. Estas ecuaciones son válidas únicamente para valores de “a” mayores a dos veces el recubrimiento de la barra. Para distancias menores, el pulso probablemente pasa a lo largo de toda la barra. Para barras que están en línea con los transductores el factor de corrección está dado por:
Ls (1 − γ ) L
k = 1 -
(4) Donde: Ls = longitud de la barra (mm) Al estimar Vc se consigue una exactitud de ± 3 % siempre y cuando haya buena adherencia entre la barra de refuerzo y el concreto y no existan grietas en el concreto en la zona de ensayo. Las mediciones de velocidad de pulso corregidas deben ser manejadas con precaución ya que están relacionadas únicamente con el concreto que está en la vecindad inmediata de los
14
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
transductores y las barras de refuerzo, y no representa el concreto existente a lo largo de la línea que une los centros de los transductores.
7.6.3 Eje de la barra de refuerzo perpendicular a la dirección de propagación La máxima influencia de la presencia de barras de refuerzo puede ser calculada teóricamente asumiendo que el pulso atraviesa en su trayectoria la totalidad del diámetro “d” de cada barra. Esto se ilustra en la Figura 5. El efecto de las barras en el pulso es complejo y la velocidad aparente del pulso en el acero se ve reducida por debajo de lo que se espera a lo largo de los ejes de las barras de tamaño similar. Para fines prácticos cuando se usan transductores de 54 kHz, se puede ignorar el acero de refuerzo con diámetro menor a 20 mm, ya que su influencia es despreciable. Un estimativo de la influencia promedio se puede obtener, para barras bien adheridas con diámetros entre 2 mm y 50 mm, considerándolas como una barra longitudinal equivalente cuya longitud de trayectoria total sea L´s (véase Figura 5). El método descrito en el numeral 7.6.2 para barras que quedan directamente en línea con los transductores (véase ecuación 4) puede ser usado para este propósito complementándolo con los valores de γ determinados a partir de la Figura 5, los cuales tienen en cuenta la velocidad reducida en el acero. La influencia del acero transversal puede verse disminuida por deficiencias de adherencia y es difícil calcular con alguna precisión si las barras no están directamente en línea con la trayectoria entre transductores.
15
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
Figura 3. Influencia del acero de refuerzo sobre la velocidad del pulso barras paralelas a la trayectoria del pulso
16
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
Figura 4. Influencia del acero de refuerzo sobre la velocidad del pulso: factores de corrección para barras paralelas a la trayectoria del pulso (a>2b) (Véase Figura 3(a))
Figura 5. Influencia del acero de refuerzo sobre la velocidad del pulso: barras normales (perpendiculares) a la dirección del pulso
17
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA 8.
NTC 4325
DETERMINACIÓN DE LA UNIFORMIDAD DEL CONCRETO
La heterogeneidad del concreto de un elemento estructural o entre miembros causa variaciones en la velocidad del pulso, las cuales, a su vez, están relacionadas con las variaciones en la calidad. Las mediciones de velocidad de pulso suministran los medios para el estudio de la homogeneidad y con este fin, se debe escoger un sistema de puntos de medición que cubra uniformemente el volumen apropiado de concreto a investigar. El número de puntos de medición depende del tamaño de la estructura, la exactitud requerida y la variabilidad del concreto. En un elemento de grandes dimensiones, con concreto bastante uniforme, se puede considerar adecuado medir sobre una longitud de 1 m, pero en elementos más pequeños o sobre concreto muy variable, puede ser necesario estrechar la zona de medición. En aquellos casos donde la longitud de la trayectoria permanece constante durante la inspección, el tiempo de tránsito determinado puede utilizarse para evaluar la uniformidad del concreto, sin tener que convertirlo a velocidad. Esta técnica se usa especialmente en evaluaciones donde todas las mediciones de velocidad se hacen por transmisión indirecta. Es posible expresar la homogeneidad en forma de parámetros estadísticos tales como la desviación estándar o el coeficiente de variación de las velocidades de pulso determinadas sobre una red de puntos. Sin embargo, dichos parámetros pueden solamente ser usados adecuadamente para comparar variaciones en unidades de concreto de dimensiones bastante similares. Las variaciones en la velocidad del pulso se ven influenciadas por la magnitud de la longitud de la trayectoria, ya que ella determina el tamaño efectivo del elemento de concreto que está bajo examen durante cada medición. La importancia de las variaciones debe juzgarse a partir del efecto que ellas puedan tener en relación con el desempeño esperado del miembro que está siendo analizado. Esto significa, generalmente, que la tolerancia permitida en la distribución de calidad dentro de los miembros de una estructura, debe relacionarse bien sea con la distribución de esfuerzos en ellos, bajo las condiciones críticas de cargas de trabajo o de exposición al medio ambiente.
9.
DETECCIÓN DE DEFECTOS
9.1
GENERALIDADES
El uso de las técnicas de velocidad de pulso ultrasónico, para detectar y definir la extensión de defectos internos en una estructura, debe dejarse únicamente en manos de personal bien calificado, que tenga experiencia previa en la interpretación de resultados de evaluaciones y que ha sido entrenado en la medición con esta técnica. Se debe poner especial atención a que no se establezcan conclusiones a partir de datos insuficientes o aislados. Cuando una onda de pulso ultrasónico viaja a través del concreto y encuentra una interface aire-concreto, se presenta una transmisión de energía nula a través de dicha interface. Por esta razón, cualquier grieta o vacío llenos con aire, localizados entre dos transductores obstruye la señal ultrasónica directa, si el tamaño del vacío proyectado es mayor que el ancho de la onda sónica usada. Cuando esto ocurre, el primer pulso en llegar al transductor receptor es difractado alrededor de la periferia del defecto y el tiempo de tránsito es mayor que en un concreto similar sin defectos.
18
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
Es posible hacer uso de esta propiedad para localizar defectos, vacíos y grietas cuyo diámetro o profundidad sea mayor que 100 mm. Defectos relativamente menores no tienen o es despreciable el efecto sobre los tiempos de transmisión, pero de igual manera su importancia estructural es menor. Al dibujar contornos de igual velocidad sobre un elemento se obtiene información de importancia en lo que respecta a su calidad. En miembros agrietados, cuando las caras agrietadas de dichos miembros son mantenidas juntas con fuerza por los esfuerzos de compresión, la energía del pulso puede pasar sin impedimento a través de la grieta. Como ejemplo, esto puede ocurrir en pilares verticales agrietados. Si la grieta esta llena con un líquido que pueda transmitir la energía ultrasónica,. en estructuras marinas, la grieta no se puede detectar usando equipos de lectura digital. Las mediciones de la atenuación del pulso proporcionan en este caso información invaluable. Los numerales 9.2 a 9.4 contienen sugerencias para la interpretación de los resultados en la detección de defectos, pero se recuerda especialmente que en las suposiciones hechas se contemplan simplificaciones.
9.2
DETECCIÓN DE GRANDES VACÍOS O CAVIDADES
Se debe dibujar una malla sobre el miembro de concreto de tal manera que los puntos de intersección se espacien de acuerdo con el tamaño de la cavidad que puede afectar significativamente su desempeño. La evaluación de las mediciones hechas sobre los puntos determinados por la malla permite investigar una cavidad de grandes dimensiones, mediante la medición de los tiempos de paso de pulsos ultrasónicos entre los dos transductores instalándolos de tal manera que la cavidad quede localizada directamente en la trayectoria entre ellos. El tamaño de dichas cavidades puede ser estimado suponiendo que los pulsos pasan a lo largo de la trayectoria más corta entre transductores y alrededor de la cavidad. Tales estimativos son válidos sólo cuando el concreto alrededor de la cavidad es uniformemente denso y puede ser medida la velocidad del pulso en dicho concreto.
9.3
ESTIMATIVO DE LA PROFUNDIDAD DE UNA GRIETA SUPERFICIAL
Puede hacerse un estimativo de la profundidad de una grieta superficial midiendo los tiempos de tránsito a través de la grieta para dos posiciones de los transductores sobre la superficie. Un esquema apropiado se muestra en la figura 6(a) en la cual los transductores emisor y receptor se colocan a una distancia “x” a ambos lados de la grieta y equidistantes de ella. Se escogen dos valores de “x” y se miden los dos tiempos de tránsito correspondientes; se recomiendan valores de “x” de 150 mm y 300 mm. Para dichos valores la profundidad de la grieta (mm) llena de aire es: C=150
(4t12 − t22 ) (t22 − t12 )
(5)
Donde: t1
=
tiempo de tránsito cuando x es de 150 mm (µs)
t2=
tiempo de tránsito cuando x es de 300 mm (µs)
19
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
La ecuación 5 se ha derivado asumiendo que el plano de la grieta es perpendicular a la superficie del concreto y que el concreto en la vecindad de la grieta es de calidad razonablemente uniforme. Una comprobación que permite establecer si la grieta se encuentra en el plano perpendicular a la superficie se hace colocando ambos transductores en la proximidad de la grieta (como se muestra en la Figura 6(b)) y alejándolos alternadamente de la grieta. Si se presenta una reducción en el tiempo de tránsito del pulso, cuando uno de los transductores es movido, esto indica que la pendiente de la grieta se dirige hacia dicho transductor. En una disposición alterna de los transductores, el transductor emisor se instala a una distancia de 2,5Z, contada a partir del centro de la grieta y luego se hacen tres lecturas del tiempo de tránsito tomadas colocando el transductor receptor a las distancias Z, 2 Z y 3Z medidas a partir del trasductor emisor en dirección a la grieta. Los tiempos de tránsito se grafican vs la distancia como se indica en la figura 6(c) en la cual Z es 150 mm. Si la proyección de la línea recta que pasa por los puntos (Z,T 1) y (2Z,T2) pasa por cero, no existen grietas ocultas y la profundidad de la grieta viene dada por:
Z C= 2
2t 2 + 3t 2 3 2 t3 −t2
(6) Donde: t2=
tiempo de tránsito para 2Z (µs)
t3=
tiempo de tránsito para 3Z (µs)
La Figura 6(c) muestra la forma en que el tiempo de tránsito va retornando gradualmente al valor esperado en el concreto no agrietado tan pronto el transductor receptor se va alejando de la grieta.
20
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
Figura 6. Técnica para la determinación de la profundidad de una grieta
21
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA 9.4
NTC 4325
ESTIMACIÓN DEL ESPESOR DE UNA CAPA DE INFERIOR CALIDAD EN EL CONCRETO
Se puede intuir algunas veces que el concreto tiene una capa superficial de menor calidad. Esto puede suceder durante la elaboración de la estructura o puede deberse a un daño por fuego, congelamiento, ataque de sulfatos, etc. El espesor de una de estas capas puede ser estimado a partir de mediciones de tiempo de tránsito a lo largo de la superficie. El procedimiento descrito en el numeral 10 se debe usar y los resultados se grafican como se indica en la Figura 2. Para la distancia más corta entre transductores, el pulso viaja a través de la superficie de la capa y la pendiente de la línea experimental proporciona la velocidad del pulso en esta capa superficial. Para una cierta distancia mayor de separación el primer pulso en arribar ha pasado a lo largo de la superficie del concreto subyacente de mejor calidad y la pendiente de estos puntos experimentales proporciona la velocidad en dicho concreto. La distancia x0 a la cual se ha presentado el cambio de pendiente (Véase Figura 2) junto con las velocidades del pulso medidas en las dos diferentes capas de concreto, permite estimar el espesor t (mm) de la siguiente manera:
t=
Xo ( Vs - Vd) Z ( Vs + Vd)
(7) Donde: Vd
=
velocidad del pulso en el concreto deteriorado (km/s)
Vs
=
velocidad del pulso en la capa subyacente del concreto sano (km/s)
x0
=
distancia desde el transmisor a la cual la pendiente cambia (mm).
El método es aplicable a grandes áreas en las que un concreto de inferior calidad forma una capa de espesor aproximadamente uniforme y donde V d es apreciablemente menor que V s . En áreas específicas de concreto con daños o con hormigueros es más difícil el ensayo, pero se puede estimar un espesor aproximado de concreto de material de mala calidad bien sea por transmisión directa o a través de mediciones de propagación superficial.
10.
DETERMINACIÓN DE CAMBIOS EN LAS PROPIEDADES DEL CONCRETO
Se pueden monitorear los cambios ocurridos en el tiempo en las propiedades del concreto, causados por el proceso de hidratación, la influencia del medio ambiente o por sobrecargas a través de mediciones repetitivas efectuadas a diferentes edades y teniendo el cuidado de usar los mismos transductores, los cuales se deben colocar cada vez en la misma posición. Las mediciones de los cambios en la velocidad del pulso ultrasónico usualmente pueden ser tomadas como indicativos de los cambios en la resistencia. Tiene la ventaja esta determinación de que las mediciones se pueden hacer progresivamente en el tiempo en los mismos elementos ensayados de la estructura investigada.
22
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
Las mediciones de velocidad de pulso son particularmente apropiadas para el control del proceso de endurecimiento, especialmente durante las primeras 36 h. Los cambios importantes y cambios rápidos en la velocidad del pulso, durante este período, se asocian directamente con los cambios fisicoquímicos en la estructura de la pasta de cemento, por esta razón se recomiendan hacer mediciones a intervalos de 1 h a 2 h, si se quiere seguir de cerca estos cambios. Cuando el concreto endurece los intervalos se pueden espaciar a un día o más, una vez el período de 36 h ha transcurrido.
11.
CORRELACIÓN ENTRE LA VELOCIDAD DE PULSO Y LA RESISTENCIA
11.1 GENERALIDADES La calidad del concreto se especifica generalmente en términos de su resistencia mecánica, por esta razón a veces es de interés usar pulsos ultrasónicos para estimar dicha resistencia. La relación entre la velocidad del pulso ultrasónico y la resistencia se ve afectada por diversos factores entre los cuales se cuentan: la edad del concreto, las condiciones de curado, las condiciones de humedad, las proporciones de la mezcla, el tipo de agregado y el tipo de cemento. Si se requiere estimar la resistencia es necesario, por lo tanto, establecer la correlación entre resistencia y velocidad del pulso para un concreto en particular que esté siendo investigado. Dicha correlación debe establecerse de manera experimental mediante el ensayo de un número adecuado de especímenes que abarque el rango de resistencias esperado y que proporcione confiabilidad estadística. La confianza que se puede atribuir a los resultados depende del número de muestras ensayadas. Es posible encontrar una correlación entre velocidad del pulso ultrasónico y la resistencia de cilindros moldeados o de núcleos extraídos de la estructura de concreto, llevando a cabo un estudio sobre la estructura completa o una parte de ella. Véase la NTC 673 (ASTM C39) y NTC 3713 (ASTM C116). La confiabilidad de la correlación depende, en gran medida, del grado en que los especímenes representen la estructura a ser evaluada. La correlación más apropiada se obtiene de ensayos en los que la velocidad del pulso y la resistencia se miden paralelamente en toda una estructura o un sector de ella. A veces es más conveniente establecer la correlación a través de especímenes cilíndricos a los que luego del ensayo de velocidad de pulso se les determina la resistencia a compresión. La experiencia, sin embargo ha demostrado, que las correlaciones elaboradas sobre la base de especímenes moldeados, generalmente conduce a resultados más bajos de resistencia que los que se obtienen al extraer y ensayar núcleos.
11.2 CORRELACIÓN USANDO PROBETAS MOLDEADAS Las resistencias de una mezcla particular de cemento y agregado puede variar al alterar cualquiera de los siguientes parámetros: a)
La relación agua/cemento
b)
La edad de ensayo.
23
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
El método utilizado para modificar la resistencia de los especímenes influye en la correlación. Es esencial, por lo tanto, que se varíe sólo uno de los parámetros al tratar de establecer una correlación. La correlación entre la velocidad de pulso y la resistencia es menos confiable a medida que se incrementa la resistencia del concreto. Una correlación obtenida al hacer variar la edad del concreto es aconsejable cuando se monitorea el desarrollo de resistencia, pero cuando el propósito es el control de calidad, es preferible establecer la correlación haciendo variar la relación agua/cemento. Los especímenes se deben elaborar de acuerdo con la NTC 550 (ASTM C31). Se deben fundir por lo menos tres especímenes de cada bachada. La velocidad del pulso debe medirse a lo largo del espécimen entre sus caras moldeadas. En el caso de vigas, es preferible medir la velocidad del pulso a través de toda su longitud para aumentar la precisión. Para cada espécimen se deben hacer por lo menos tres lecturas de velocidad de pulso, repartidas entre la parte superior y la inferior ( Véase la Tabla 2 para las dimensiones). Las variaciones entre lecturas de tiempos de tránsito deben estar entre el ± 5 % del valor promedio de por lo menos tres mediciones, si no se cumple esta condición el espécimen debe ser desechado. Los especímenes deben ser ensayados a compresión de acuerdo con la NTC.673 (ASTM C39). o a flexión en el caso de viguetas de acuerdo con la NTC 3713 (ASTM C116). La velocidad promedio del pulso y la resistencia promedio obtenida de cada grupo de por lo menos tres especímenes nominalmente idénticos ensayados, constituyen los datos con los cuales se establece la correlación. Una curva de correlación establecida de esta manera está relacionada únicamente con los especímenes producidos, curados y ensayados en la misma forma. Si los especímenes se curan al aire, substituyendo el curado húmedo, se obtienen otras curvas de correlación diferentes.
11.3 CORRELACIÓN MEDIANTE ENSAYOS CON NÚCLEOS DE CONCRETO Al realizar una correlación a partir de ensayos sobre núcleos, no es posible variar deliberadamente la resistencia del concreto. Los ensayos de velocidad de pulso deben emplearse, por lo tanto, para localizar áreas de diferente calidad y los núcleos extraídos de dichos sitios proporcionan un rango de resistencias. La velocidad del pulso debe medirse en aquellos sitios donde se tiene previsto extraer los núcleos, para establecer la correlación. Las velocidades de pulso obtenidas al medir sobre los núcleos extraídos y secos serán normalmente mayores que las medidas en la estructura y no deben usarse para hacer correlaciones directas. La resistencia a compresión de los núcleos extraídos se debe evaluar de acuerdo con la NTC 3658 (ASTM C42). La forma de la línea de correlación es la misma para cualquier concreto, independientemente de las condiciones de curado. Por lo tanto es posible usar la curva derivada de especímenes de referencia para extrapolar a partir del rango limitado obtenido normalmente de los núcleos.
11.4 CORRELACIÓN CON LA RESISTENCIA DE PREFABRICADOS Cuando se requiere verificar el cumplimiento de los requisitos de resistencia de elementos prefabricados, es posible establecer correlaciones entre la velocidad del pulso y el tipo particular de ensayo de resistencia adoptado. Esto puede ser llevado a cabo haciendo mediciones de velocidad de pulso sobre los elementos en los sitios adecuados donde se prevea que el concreto va a fallar bajo las condiciones de carga del ensayo. El procedimiento para obtener una correlación gráfica es descrito en el numeral 11.2.
24
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
11.5 COMBINACIÓN DE LA VELOCIDAD DE PULSO CON OTRAS MEDICIONES Se puede obtener alguna mejora en la exactitud de la estimación de la resistencia al combinar la determinación de la velocidad del pulso con la prueba del esclerómetro (NTC 3692 (ASTM C805) La determinación del índice esclerométrico debe hacerse en los mismos puntos donde se ha efectuado la medición de la velocidad del pulso. Una gran mejora se obtiene al combinar las mediciones de velocidad del pulso con la determinación de la densidad del concreto. En una estructura, las mediciones de densidad deben hacerse en el mismo punto y dirección en los cuales se efectúa la determinación de la velocidad del pulso. La densidad del concreto debe determinarse de acuerdo con la NTC 3725 (ASTM C1040) o por la técnica de atenuación de rayos gama, evitando la influencia del acero de refuerzo. Se puede entonces elaborar una curva de correlación de acuerdo con los valores de densidad en los rangos requeridos.
12.
DETERMINACIÓN DEL MÓDULO DE ELASTICIDAD Y EL MÓDULO DINÁMICO DE POISSON
La relación entre las constantes elásticas y la velocidad de un pulso ultrasónico que viaja a través de un medio isotrópico de dimensiones infinitas, viene dada por la siguiente expresión:
Ed = ρv2
(1 + υ )(1- 2 υ ) (1 - υ )
(8) Donde: Ed
=
módulo dinámico de elasticidad (MN/m²)
υ
=
módulo dinámico de Poisson
=
densidad (kg/m³)
=
velocidad del pulso (km/s)
ρ v
Como se estableció en el numeral 7.5, la velocidad del pulso no se ve afectada sensiblemente por las dimensiones del espécimen de ensayo, excepto cuando una o más de las dimensiones del elemento sean menores en comparación con la longitud de la onda del pulso. Si, se conocen los valores de ρ y de υ, es posible usar la ecuación 8 para determinar el valor de Ed en muestras de concreto para un amplio rango de formas y tamaños. En forma semejante puede ser determinado υ si los valores de ρ y Ed son conocidos. En especímenes de laboratorio la relación Ed ρ puede ser obtenida a partir de los resultados de ensayo de la resonancia longitudinal, de acuerdo con la NTC 4025 (ASTM C469) En este ensayo se determina sobre un prisma el valor de la frecuencia fundamental de vibraciones longitudinales. La relación viene dada por:
25
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
Ed p
=
4n 2
2
L
*10 -6
(9) Donde: n
=
frecuencia de resonancia (Hz)
L
=
longitud del espécimen (m)
Combinando las ecuaciones 8 y 9 se obtiene: (1 + υ)(1-2υ) (1 -
υ
)
=
4n2 L2 v2
(10) El valor de υ se obtiene de la Tabla 3. Tabla 3. Valores del módulo dinámico de Poisson
nL υ
v 0,257 0,342 0,395 0,431 0,456 0,474 0,487 0,494 0,499
0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05
Los valores del módulo de elasticidad (tanto dinámico como estático), del módulo de Poisson y de la densidad pueden variar entre puntos diferentes de una estructura. No siempre es posible llevar a cabo ensayos de resonancia en un miembro estructural con miras a determinar los valores de las anteriores propiedades. Sin embargo es posible usar relaciones empíricas para estimar los valores de los módulos estático y dinámico de elasticidad a partir de las mediciones de la velocidad del pulso en cualquier punto de una estructura. Estas relaciones se muestran en la Tabla 4 y se pueden aplicar a concretos elaborados con los tipos más comunes de agregados naturales. La estimación del módulo de elasticidad a partir de este método tiene una exactitud de ± 10 %
26
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
Tabla 4. Relaciones empíricas entre la velocidad de pulso y los módulos de elasticidad estático y dinámico Velocidad del pulso
13.
Módulo de elasticidad Dinámico
Módulo de elasticidad Estático
km/s
MN/m²
MN/m²
3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0
24 000 26 000 29 000 32 000 36 000 42 000 49 000 58 000
13 000 15 000 18 000 22 000 27 000 34 000 43 000 52 000
INFORME
En el informe se debe dejar constancia que la velocidad del pulso ultrasónico fue determinada de acuerdo con las recomendaciones dadas en esta norma y además se debe incluir la siguiente información: a)
Fecha, hora y lugar de la investigación
b)
Descripción del elemento de la estructura o de los especímenes ensayados
c)
Composición nominal del concreto, incluyendo 1)
Tipo de cemento
2)
Contenido de cemento
3)
Relación agua/cemento
4)
Tipo de agregado y tamaño máximo nominal
5)
Aditivos usados en la elaboración del concreto
d)
Condiciones de curado, temperatura y edad del concreto en el momento del ensayo.
e)
Especificación del medio ambiente para el cual fue diseñado el concreto
f)
Diagramas mostrando la localización del punto de aplicación de los transductores y las trayectorias de la propagación del pulso. El diagrama debe mostrar los detalles del acero de refuerzo o de ductos en la vecindad de las áreas de ensayo.
g)
Condiciones de la superficie en los puntos de ensayo (afinada, pañetada, rugosa, presencia de agrietamientos o descascaramientos)
h)
Condiciones de humedad interna del concreto estimada en el momento del ensayo y condiciones de curado prolongado, si son conocidas superficie húmeda,
27
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
superficie seca (recientemente desformaleteadas), (desformaleteado en condición seca por algún tiempo).
o
seco
al
aire
i)
Tipo y fabricante del aparato, su precisión, frecuencia del pulso y cualquier otra característica especial.
j)
Longitud de las trayectorias, método de medición y estimación de la exactitud de las mediciones.
k)
Valores medidos de la velocidad del pulso
l)
Valores de la velocidad de pulso corregidos por presencia de acero de refuerzo, cuando se considere necesario.
14.
APÉNDICE
14.1
NORMAS QUE DEBEN CONSULTARSE
Las siguientes normas contienen disposiciones que, mediante la referencia dentro de este texto, constituyen disposiciones de esta norma. En el momento de la publicación eran válidas las ediciones indicadas. Todas las normas están sujetas a actualización; los participantes, mediante acuerdos basados en esta norma, deben investigar la posibilidad de aplicar la última versión de las normas mencionadas a continuación: NTC 550:1992, Ingeniería civil y arquitectura. Elaboración y curado de especímenes de concreto en obra. (ASTM C31) NTC 673:1994, Ingeniería civil y arquitectura. Ensayo de resistencia a la compresión de cilindros de concreto. (ASTM C39). NTC 3658:1994, Ingeniería civil y arquitectura. Método para la obtención y ensayo de núcleos extraídos y vigas de concreto aserradas. (ASTM C42). NTC 3692:1995, Ingeniería civil y arquitectura. Método de ensayo para medir el número de rebote del concreto endurecido. (ASTM C805). NTC 3713:1995, Ingeniería civil y arquitectura. Método de ensayo para determinar la resistencia a la compresión del concreto usando partes de vigas ensayadas a flexión. (ASTM C116). NTC 3725:1995, Ingeniería civil y arquitectura. Métodos nucleares para determinar en sitio la densidad del concreto fresco y endurecido. (ASTM C1040). NTC 4025:1994, Ingeniería civil y arquitectura. Método de ensayo para determinar el módulo de elasticidad estático y la relación de Poisson en concreto a compresión. BS 1881, Parte 204:1988, Recommendations for the use of Electromagnetic Cover Measuring Devices.
14.2
DOCUMENTO DE REFERENCIA
British Standard. Testing Concrete Part 203. Recommendations for Measurement of Velocity of Ultrasonic Pulses in Concrete. 1986. 20p, 6 il (BS 1881: Part 203).
28
NORMA TÉCNICA COLOMBIANA
NTC 4325
Anexo A. (Informativo) Bibliografía A.1 JONES, R. Non-destructive Testing of Concrete, London: Cambridge University Press, 1962. A.2. JONES, R. & FACAOARU, Ι. Recommendation for Testing Concrete by the Ultrasonic Pulse Method. In: RILEM Materials and Structures, Paris, 1969, 2, No. 10. A.3 DRYSDALE, R.C. Variation of Concrete Strength in Existing Buildings. In: Mag. of Concrete Res., 1973, 25, No. 85. A.4 DAVIS, S.G. & MARTIN, S.J. The Quality of Concrete and its Variation in Structures, C & C A Publication No. 42.487, 1973. A.5 DAVIS, S.G. Further Investigations into the Strength of Concrete in Structures, C & C A Publication No. 42,514, 1976. A.6 KNAB, L.I., BLESSING, G.V. & CLIFTON, J.R. Laboratory Evaluation of Ultrasonics for Crack Detection in Concrete, In: ACI Journal, Jan./Feb. 1983. A.7 CHUNG, H.W. An Appraisal of Ultrasonic Pulse Technique for Detecting Voids in Concrete. In:Concrete, 1978, 12, No.11. A.8 VOLD, R.C. & HOPE, B-R. Ultrasonic Testing of Deep Foundations. In: Brit. J. of NonDestructive Testing, 1978, 20, No.5. A.9 ELVERY, R.H. & IBRAHIM, L.R.M. Ultrasonic Assessment of Concrete at Early Ages. In: Mag. of Concrete Res., 1976, 28, No.97. A.10 LOGOTHETIS, L. & ECONOMOU, C. The Influence of High Temperatures on Calibration of Non-Destructive Testing of Concrete. In: RILEM Materials and Structures, 1981, 14, No. 79. A.11 ANDERSON, D.A. & SEALS, R.K. Pulse Velocity as a Predictor of 28 and 90 Day Strength. In: ACI Journal, March/April 1981. A.12 TOMSETT, H.N. The Practical Use of Ultrasonic Pulse Velocity Measurements in the Assessment of Concrete Quality. In: Mag. of Concrete Res., 1980, 32, No. 110. A.13 FACAOARU,I. Non-Destructive Testing of Concrete in Romania. In: Symp. on NonDestructive Testing of Concrete and Timber, June 1969, London: I.C.E., 1970. A.14 ELVERY, R.H. & VALE, D.W. Development in the Measurement of Ultrasonic Pulse Velocity in Concrete. In: Proc. Seventh Int. Conf. Non-Destructive Testing, Warsaw, June 1973. A.15 NWOKOYE, D.N. Prediction and Assessment of Concrete Properties from Pulse Velocity Test. In: Mag. of Concrete Res., 1973,25, No.82.
29
