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Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. v.25 n.3 Santiago  2010

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732010000300003 

Revista Ingeniería de Construcción Vol. 25 N°3, Diciembre de 2010 www.ing.puc.cl/ric PAG. 371- 382

Medición "in situ" de la permeabilidad al aire del hormigón: status quo

Luis Ebensperger*, Roberto Torrent** ¹

* Consultor en Hormigón y sus Componentes, Buin. CHILE

** Materials Advanced Services SRL, Buenos Aires. ARGENTINA

Dirección para Correspondencia


RESUMEN

Los autores han estado involucrados en la creación y primeros ensayos y desarrollos del llamado "Método Torrent" para medir la permeabilidad al aire del hormigón. Transcurridos más de 15 años de ese trabajo fundacional, el artículo presenta una revisión de la evolución y estado de situación del método, incluido como Norma Oficial Suiza en 2003. Se presentan ejemplos de su aplicación en laboratorio y en obras (puentes, túneles, etc.), con datos de valores medidos, provenientes de distintos países del mundo. Se presentan correlaciones entre el coeficiente de permeabilidad al aire kT y otros indicadores de durabilidad, tales como la migración de cloruros (ASTM C1202) y la penetración de agua a presión (EN 12390-8) o por capilaridad. Finalmente se discuten sus perspectivas de uso futuro, como herramienta de control de calidad de estructuras nuevas, con las importantes implicancias que ello acarreará, así como de diagnóstico de estructuras existentes.

Palabras Clave: Hormigón, método Torrent, permeabilidad


1. Introducción

Los problemas de durabilidad - más frecuentes de lo que sería deseable - que se encuentran en estructuras de hormigón, asociados principalmente a la depasivación y corrosión de las armaduras, al ataque químico (p.ej. por sulfatas) y a los ciclos de congelación y deshielo, han puesto en tela de juicio los enfoques tradicionales para la especificación y control de las estructuras de hormigón.

En tanto que la capacidad portante de un elemento estructural es la resultante de su comportamiento integral, su durabilidad frente a acciones agresivas del medio ambiente depende básicamente del desempeño protector de una capa superficial relativamente delgada (20-50 mm), como se ilustra en la Figura 1.

Esta capa de recubrimiento debe proteger a las armaduras contra la corrosión inducida por la carbonatación o por ingreso de cloruros, y es también la más afectada por ataques químicos, congelación, etc. Lamentablemente, por ser la zona de más difícil compactación o por recibir las tareas de acabado y por ser la más expuesta a las consecuencias del mal hábito de no curar las estructuras, esta vital capa superficial suele ser la de peor calidad en el elemento estructural.

Figura 1. Concepto de Hormigón Superficial (Recubrimiento)

Los criterios clásicos de especificación y control del hormigón endurecido se basan casi exclusivamente en resultados de ensayos de probetas moldeadas y, especialmente en el caso de la durabilidad, en fijar límites máximos a la relación agua/cemento.

Está claro porqué ese enfoque ha fracasado en garantizar la durabilidad: los resultados de las probetas moldeadas nunca pueden representar la calidad de la capa superficial, porque se preparan y curan de una manera totalmente diferente a las condiciones reales en la estructura. Por otro lado, la relación agua/cemento es de difícil verificación en la práctica y últimamente ha sido cuestionada como indicador de durabilidad.

Así, la calidad real de esa capa vital es ignorada lo que explica, en gran medida, el desempeño insatisfactorio de muchas estructuras, desde el punto de vista de su durabilidad. La noción del hormigón de recubrimiento, que posee composición y propiedades diferentes a las del que se encuentra en el núcleo de las estructuras data de los años '80 (Kreijger,1986; Newman, 1987; Meyer, 1987) y fue incorporada al Código Modelo (CEB-FIP,1990), que expresaba en 1990 (traducción del inglés):

"No existe un método de aceptación general para caracterizar la estructura de poros del hormigón y relacionarla con su durabilidad. Sin embargo, diversas investigaciones han indicado que la permeabilidad del hormigón, al aire o al agua, es una excelente medida de su resistencia al ingreso de medios agresivos en el estado gaseoso o líquido y así constituye una medida de la durabilidad potencial de un hormigón dado."

"Actualmente no existen métodos de aceptación general para una determinación rápida de la permeabilidad del hormigón ni de valores límites de la permeabilidad del hormigón expuesto a diversas condiciones ambientales. Sin embargo es probable que se disponga de tales métodos en el futuro, lo que permitirá clasificar al hormigón en base a su permeabilidad. Entonces podrán postularse requisitos para la permeabilidad del hormigón; ellos dependerán de las condiciones de exposición a que esté sometida la estructura."

"Aunque el hormigón de mayor resistencia será en la mayoría de los casos más durable que el hormigón de menor resistencia, la resistencia a compresión 'per se' no es una medida completa de la durabilidad, porque ésta depende principalmente de las propiedades de las capas superficiales de un elemento de hormigón, las que ejercen sólo una influencia limitada sobre la resistencia a compresión."

La calidad del recubrimiento es el resultado, por un lado, de la dosificación de la mezcla elegida y, por el otro, del cuidado con el que el hormigón ha sido procesado (colocado, compactado, acabado, curado, etc.). Resulta obvio entonces que los ensayos sobre probetas moldeadas, que son procesadas de una manera completamente diferente a los elementos estructurales, no darán jamás una imagen realista y representativa de la calidad real del recubrimiento. Por lo tanto, la única posibilidad es medirla directamente en la estructura, preferentemente "in situ" con métodos no-destructivos o sino sobre testigos extraídos de ella.

El llamado "Método Torrent" para medir, de modo enteramente no-destructivo, la permeabilidad al aire del recubrimiento apunta exactamente a eso: a especificar y controlar la calidad del recubrimiento de la estructura terminada.

Transcurridos unos 18 años de su creación, el artículo presenta una revisión de la evolución y estado de situación del método, incluido como Norma Oficial Suiza en 2003.

2. Descripción del "método torrent"

La disposición del instrumental del aparato se esquematiza en la Figura 2. Sus dos características distintivas son:

a) una celda con doble cámara, basada en el principio del anillo de guarda. Consiste en una cámara interna i y una cámara externa e.

b)  un regulador de presión a membrana, cuya función es mantener a ambas cámaras siempre a la misma presión (Pi = Pe).

La operación del aparato es como sigue: con la válvula 1 cerrada y la 2 abierta, se crea vacío en ambas cámaras mediante la bomba. Cuando la presión Pi baja a ~30 mbar se cierra la válvula 2, momento a partir del cual la bomba solo puede actuar (cuando se lo permite el regulador) sobre la cámara externa, de manera de equilibrar en todo momento la presión en ambas cámaras. De este modo, todo exceso de aire que ingrese lateralmente en la cámara externa será evacuado por la cámara exterior. Así se logra que el flujo de aire hacia la cámara central sea básicamente unidireccional (ver líneas de flujo en la Figura 2) y no afectado por el ingreso espurio de aire, sea por un deficiente sellado de la cámara externa o a través de la más permeable 'piel' superficial.

Figura 2. Esquema y detalles del Método Torrent

La evolución de la presión Pi se mide a partir de los 60 s con un sensor de presión comandado por un microprocesador que tiene integrado un cronómetro. El microprocesador almacena la información y efectúa los cálculos para mostrar automáticamente, al fin del ensayo, el valor del coeficiente de permeabilidad al aire kT (m2). El fin del ensayo acontece cuando la elevación de la presión en la cámara interna Pi alcanza 20 mbar o, en el caso de hormigones muy impermeables cuando han transcurrido 360 s desde el comienzo del ensayo. Así, dependiendo de la permeabilidad del hormigón, el ensayo puede durar de 2 a 12 minutos. El microprocesador es capaz de almacenar los datos de los ensayos y la información puede ser transferida a una PC para su posterior análisis y registro.

La función de la válvula 1 es restablecer el sistema para un nuevo ensayo ventilándolo con aire a la presión atmosférica.

Dado que en este método la geometría del problema está bien definida, mediante un modelo teórico es posible calcular el coeficiente de permeabilidad, tal como se describe en (Torrent y Frenzer, 1995), aplicando la Ecuación 1.

El conocimiento de kT permite estimar la profundidad de hormigón afectada por el ensayo, que también es indicada por el equipo.

La permeabilidad al aire kT es muy sensible a la microestructura del hormigón de recubrimiento, abarcando unos 6 órdenes de magnitud (0.001 a 100 10 -16 m2). La Tabla 1 muestra la clasificación de la permeabilidad del hormigón (con edades entre 28 y 180 días) en función de kT.

(1)

donde:

kT: coeficiente de permeabilidad al aire [m2]

Vc: volumen de la cámara interior [m3]

A: área de la cámara interior [m2]

µ: viscosidad dinámica del aire [Ns/m2]

ε: porosidad del hormigón [-]

pa: presión atmosférica [N/m2]

p0: presión en la cámara interior al inicio del ensayo (t0= 60 s) [N/m2]

p: presión en la cámara interior al final del ensayo t(t≤360 s) [N/m2]

Tabla 1. Clasificación de la permeabilidad del hormigón en función de kT

3. Hitos en el desarrollo, aplicación y normalización del método

 

4. Correlación con otros ensayos de transporte

Torrent (2008b), efectuó una detallada revisión de la literatura, extrayendo datos comparativos de kT y de otros métodos reconocidos para medir fenómenos de transporte a través del hormigón.

Las Figuras 3 a 7 muestran los resultados obtenidos; información sobre las fuentes pueden encontrarse en (Torrent, 2008a y 2008b).

Figura 3. Correlación entre kT y la permeabilidad al oxígeno (Recomendación RILEM PCD-116)

Figura 4. Correlación entre kT y el coeficiente de succión capilar a 24 h (SIA 262/1A)

Figura 5. Correlación entre kTy la migración de cloruros (ASTM C1202)

Figura 6. Correlación entre kT y la penetración de agua bajo presión (EN12390-8 / DIN1048)

Figura 7. Correlación entre kT y la edad para alcanzar 30 mm de carbonatación, extrapolada en base a ensayos a 4 años con la ley de la raíz cuadrada

 

Aparte de la buena correlación existente, remarcable dada la diversidad de mecanismos de transporte involucrados y la diversidad de fuentes de datos, es interesante notar que las clases de permeabilidad basadas en kT (ver Tabla 1) se corresponden bastante bien con las establecidas en la Norma ASTM C1202 (Figura 5), con la Norma EN 12390-8 (Figura 6) y con las AIJ, establecidas en las normas japonesas (Figura 7).

Se puede concluir, entonces, que el valor de kT es un buen indicador de durabilidad frente a la penetración de agentes agresivos a las estructuras.

5. Aplicación del método en el control de nuevas estructuras

El nuevo código Suizo de construcción en hormigón [SIA 262 (2003)] establece:

a)  "with regard to durability, the quality of the cover concrete is of particular importance"

b)  "the impermeability of the cover concrete shall be checked, by means of permeability tests (e.g. air permeability measurements), on the structure or on cores taken from the structure"

En 2009 se espera la emisión, por parte del ente normativo suizo SIA, de un documento detallado sobre dónde y cómo efectuar las mediciones de kT y sobre cómo especificar los valores de kT y controlar su cumplimiento en obra. Este documento se basará en el trabajo desarrollado por una comisión de especialistas, en un proyecto financiado por el Departamento Federal Vial Suizo (ASTRA, 2009).

6.  Aplicación del método en el diagnóstico de estructuras antiguas

Si bien el "Método Torrent" ha sido desarrollado pensando en su aplicación en función preventiva (asegurar la vida útil de estructuras nuevas), se han reportado diversos casos de aplicación en estructuras antiguas.

La Figura 8 muestra datos comparativos de kT, medida directamente sobre dos puentes suizos de 30 y 60 años y la profundidad de carbonatación medida con fenolftaleína sobre testigos extraídos de los mismos lugares (Torrent y Frenzer, 1995).

Figura 8. Valores de kT y profundidad de carbonatación en antiguos puentes suizos

La Figura 9 corresponde a una investigación similar en otro puente suizo de 30 años donde, aparte de la carbonatación, se midió el contenido de cloruros a 25 mm de profundidad (Jacobs, 2008).

La Figura 10 muestra los contornos de valores de kT medidos en Japón sobre un muro de 6 años de edad, con una cara tratada con un coating y la otra no (Quoc y Kishi, 2006). Es interesante ver que los valores de kT en la cara tratada son un orden de magnitud inferiores a los de la no tratada y mucho más uniformes, excepto en zonas localizadas donde una inspección detallada reveló fallas en la aplicación del recubrimiento.

Figura 9. Valores de kT, carbonatación y contenido de cloruros en un puente suizo de 30 años

Figura 10. Contornos de valores de kT, medidos en dos caras de un muro de 6 años

7. Conclusiones

Este paseo por la evolución del "Método Torrent" y su situación actual permite extraer las siguientes conclusiones:

•  El método es adecuado para medir la resistencia del hormigón de recubrimiento a la penetración, por distintos mecanismos, de agentes agresivos que afectan la durabilidad de las estructuras

•  Se correlaciona muy bien con otros métodos para medir fenómenos de transporte en el hormigón, con la ventaja de ser más rápido y totalmente no destructivo

•  Su introducción en las Normas Suizas SIA 262 y 262/1 constituye un paso fundacional hacia el empleo de conceptos de desempeño para especificar y controlar la durabilidad de las estructuras, con las siguientes ventajas:

° Al controlar el producto terminado (la estructura "in situ"), consolida una mentalidad orientada al desempeño en todos los actores del proceso constructivo (constructoras, hormigoneras, proveedores de materiales, etc.)

° Tiende a erradicar malas prácticas (adición indiscriminada de agua al hormigón, insuficiente compactación, falta de curado, adición de agua y/o cemento en el acabado de pisos, etc.)

° Fomenta el uso de soluciones innovadoras, que mejoren la calidad del recubrimiento (membranas permeables en los encofrados, "dewatering" por vacío de losas, uso de hormigones especiales, tales como autocompactantes, de alto desempeño, "autocurantes", etc.)

•  Constituye una herramienta útil en el diagnóstico del estado de estructuras antiguas, identificando las áreas más vulnerables, donde profundizar otros estudios

•  Algunas experiencias puntuales indican la posibilidad de usarlo sobre otros materiales porosos, tales como piedras (conservación de monumentos) y tejas o baldosas cerámicas.

8. Referencias

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E-mail: roberto.torrent@holcim.com

Fecha de recepción: 01/ 10/ 2010 Fecha de aceptación: 01/ 11/ 2010

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