RESUMEN La presente investigación busca
encontrar el nivel de correlación entre la resistencia real del
concreto (kg/cm2) y el ensayo no destructivo de esclerometría, pero sobre
todo determinar el nivel de confianza con el que se deberían aceptar estos
resultados. Para esto se evaluaron probetas provenientes de diferentes
obras de construcción en la región Lambayeque, indistintamente de sus
características de diseño, y antes que sean ensayadas en la prensa de
compresión, se les sometió a un examen con esclerómetro digital siguiendo
el procedimiento de la NTP 339.181 (2013). Se ensayaron también probetas
con diseño controlado para f’c: 175, 210 y 280 kg/cm2 y así comparar si
con estas probetas se obtiene una mejor correlación respecto a las
probetas provenientes al azar de diferentes obras. Para las muestra
analizadas de todas las obras, se
encontró una desviación estándar de 45 kg/cm2 (ligeramente alta); y
para el caso de concretos de diseño controlado: 13 kg/cm2, con un
coeficiente de correlación de r2 = 0.9467 (a los 28 días). Después de procesar todos los datos, se
llegó a la conclusión que el ensayo de esclerometría si se puede utilizar
para estimar la resistencia a la compresión del concreto pero bajo ciertas
condiciones controladas y teniendo en cuenta un margen de error y
confiabilidad. Finalmente, se puede concluir que para un nivel de
confiabilidad del 95% la resistencia del concreto obtenida con el
esclerómetro podría ser estimada con el siguiente rango de precisión: f’c
± 25 kg/cm2. Palabras clave: Concreto, resistencia a la compresión, esclerometría. RESUMO Palavras-chave: Concreto, resistência à compressão, esclerometria. Correlación entre la resistencia real del
concreto y el ensayo no destructivo de esclerometría para muestras de
concreto en el departamento de Lambayeque – Perú Correlation between the real strength of concrete
and the non-destructive sclerometry test for concrete samples in the
department of Lambayeque – Peru Correlação
entre a resistência real do concreto e o ensaio de esclerometria não
destrutiva para amostras de concreto no departamento de Lambayeque - Peru ARTÍCULO ORIGINAL Recibido 28 de Setiembre 2021 | Arbitrado y
aceptado 28 de Setiembre 2021 | Publicado en 01 Octubre 2021 Manuel Alejandro Borja Suárez https://orcid.org/0000-0002-6532-4976 Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo ABSTRACT The
present investigation seeks to find the level of correlation between the
actual strength of concrete (kg / cm2) and the non-destructive
sclerometric test, but above all to determine the level of confidence with
which these results should be accepted. For this, specimens from different
construction works in the Lambayeque region were evaluated, regardless of
their design characteristics, and before they are tested in the
compression press, they were subjected to an examination with a digital
sclerometer following the procedure of NTP 339.181 (2013). Specimens with
controlled design were also tested for f'c: 175, 210 and 280 kg / cm2 and
thus compare whether with these specimens a better correlation is obtained
with respect to the specimens from random from different works. For the
analyzed samples of all works, a standard deviation of 45 kg / cm2 was
found (slightly high); and for the case of controlled design concretes: 13
kg / cm2, with a correlation coefficient of r2 = 0.9467 (at 28 days).
After processing all the data, it was concluded that the sclerometry test
can be used to estimate the compressive strength of concrete but under
certain controlled conditions and taking into account a margin of error and
reliability. Finally, it can be concluded that for a reliability level of
95%, the strength of the concrete obtained with the sclerometer could be
estimated with the following precision range: f’c ± 25 kg / cm2. Keywords: Concrete,
compressive strength, sclerometry.
A presente investigação busca encontrar o nível de correlação entre a
resistência real do concreto (kg / cm2) e o ensaio esclerométrico não
destrutivo, mas acima de tudo, determinar o nível de confiança com o qual
esses resultados devem ser aceitos. Para isso, foram avaliados corpos de
prova de diferentes obras da região de Lambayeque, independentemente de
suas características de projeto, e antes de serem ensaiados na prensa de
compressão, foram submetidos a exame com esclerômetro digital seguindo o
procedimento da NTP 339.181 (2013). . Amostras com desenho controlado
também foram testadas para f'c: 175, 210 e 280 kg / cm2 e, portanto,
compare se com essas amostras uma melhor correlação é obtida em relação às
amostras aleatórias de trabalhos diferentes. Para as amostras analisadas
de todas as obras, foi encontrado um desvio padrão de 45 kg / cm2
(ligeiramente alto); e para o caso de concretos de delineamento
controlado: 13 kg / cm2, com coeficiente de correlação de r2 = 0,9467 (aos
28 dias). Após o processamento de todos os dados, concluiu-se que o teste
de esclerometria pode ser utilizado para estimar a resistência à
compressão do concreto, mas sob certas condições controladas e levando em
consideração uma margem de erro e confiabilidade. Por fim, pode-se concluir
que para um nível de confiabilidade de 95%, a resistência do concreto
obtida com o esclerômetro pôde ser estimada com a seguinte faixa de
precisão: f’c ± 25 kg / cm2.
Introducción
Actualmente, la forma más frecuente de verificar la calidad de un
concreto consiste en obtener muestras de la mezcla fresca en probetas
cilíndricas estándar, curadas durante 28 días y someterlas al ensayo de
compresión; así obtenemos el f’c que representa la
calidad más cercana del concreto puesto en obra.
Para el caso de concreto endurecido en vigas, columnas, zapatas, y
cualquier otro elemento estructural, debemos extraer un núcleo mediante discos
diamantados, con la desventaja de que afectamos el área efectiva de la sección transversal de
concreto y en muchos casos podemos afectar también al acero estructural
también. Es aquí donde cobran importancia los ensayos no destructivos del concreto,
que permiten estimar su
calidad sin dañar la estructura del concreto; sin embargo y para
el caso del esclerómetro, existe un vacío en el conocimiento que permite
relacionar la resistencia del concreto obtenida mediante el ensayo de
esclerometría y la resistencia real de una muestra de concreto para nuestra
región, sobre todo estimar cual sería el margen de error y cuál es su
porcentaje de confiabilidad.
Como antecedentes, existen algunas investigaciones a nivel mundial
dentro de las cuales destacan las siguientes:
En la tesis de maestría presentada por
el Ing. Jimenez, H (2010), para optar el grado de maestro en construcción en la
Universidad mexicana Veracruzana, se concluye que existe una regresión lineal
entre los resultados por esclerómetro y los resultados reales por compresión en
prensa; y que el ensayo es factible y confiable. Al respecto y dentro de las
probetas ensayadas con un esclerómetro mecánico encontró correlaciones (r2)
desde 0.8083 hasta 0.9266.
Los ingenieros J.H. BUNGEY de la Universidad de Liverpool (Inglaterra)
y R. MADANDOUST de la Universidad de Guilán (Irán)
realizaron un estudio en el año (1997) “Evaluación de pruebas de resistencia no
destructivas de concreto ligero”, en la que concluyen que en sus ensayos de
laboratorio se aprecia una variación de un ± 15% en el valor de la resistencia
en mezclas iguales, así mismo recomiendan que para que los ensayos tengan mayor
certeza los golpes con el esclerómetro deben haberse por ambas caras de las
probetas cilíndricas o cúbicas.
El Ingeniero F. HOSTALET , profesor asociado
del Departamento de Ingeniería de la Construcción de la Escuela Técnica
Superior de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona; manifiesta que a nivel
mundial tanto en Canadá, Australia, Japón y Estados Unidos, aún no contemplan
la utilización de estas técnicas como instrumento de Control de Calidad durante
la ejecución de una obra. Lo mismo sucede en Europa en general y Gran Bretaña.
Finalmente, en una investigación titulada “Correlación entre la
resistencia del hormigón y las pruebas no destructivas combinadas para hormigón
con cemento de alta resistencia inicial”, realizada por Domingo R. (Far Eastern
University, Filipinas) e Hirose S. (Instituto tecnológico de Tokio), encontraron
que se establece una mejor correlación entre la estimación de la resistencia
del concreto y un ensayo combinado de esclerometría (Q) y de velocidades de
pulso de ultrasónicos (VPU).
En este sentido el objetivo de la presente investigación es encontrar
el nivel de correlación entre la resistencia real del concreto (kg/cm2) y el
ensayo no destructivo de esclerometría, para concretos de diferentes características
de nuestra región, así mismo verificar como influye el nivel de fraguado y
endurecimiento del concreto y determinar el espesor máximo de concreto hasta
donde el ensayo de esclerometría es confiable.
La hipótesis que hemos planteado es que efectivamente si existe una
correlación lineal fuerte entre el número de Rebote (Q) del concreto obtenido
mediante el ensayo no destructivo de esclerometría vs. la resistencia real a la
compresión.
Metodología
Para realizar la investigación se ha evaluado una muestra de 331 probetas
de concreto provenientes de diferentes obras de construcción en la región
Lambayeque y también se han ensayado 27 probetas con diseño controlado para
diferentes f’c: 175, 210 y 280 kg/cm2; de esta manera
hemos podido comparar en qué casos se tiene una mejor correlación: entre las
probetas provenientes al azar de diferentes obras, o en las probetas de diseño
controlado en laboratorio.
La muestra se ha calculado en base a una población finita estimada en
función a la cantidad total de probetas que se están ensayando en todos los
laboratorios de ensayo de materiales en la región durante los últimos 6 meses
de la investigación.
Los
datos estadísticos son los siguientes:
N° de laboratorios en la región: 05
Promedio de probetas rotas x mes: 45
N° de meses de la investigación: 06
N (Población) = 05 x 45 x 06 = 1350 probetas
p (probabilidad que la hipótesis sea cierta) = 50%
q = (1-p) = 50%
e (error máximo aceptable) = 5%
Z (coeficiente de confiabilidad 95%) = 1.96
Z2.p.q. N
n = ---------------------------
e2 (N-1) + Z2.p.q
n= 299 probetas (muestreo mínimo)
Foto 1: parte de las probetas a ser ensayadas
El diseño de la investigación es de tipo descriptivo correlacional,
siendo el modelo utilizado el siguiente:
Oe M1 M2 : Para el grupo de testigos de
las obras en ejecución
Oc M1 M2 : Para el Grupo de testigos
con diseños controlados (f’c=175, 210, 280)
Donde:
Oe : Objeto de estudio:
probeta
M1 : Medición del f’c con esclerómetro
M2 : Medición del f’c con
prensa
El procedimiento seguido fue el siguiente:
1° Las probetas de diferentes obras se ingresaban al laboratorio
previa codificación.
2° Se tomaron medidas de las probetas: peso, diámetro y altura,
verificando que las dimensiones cumplan con la norma técnica: L/D = 2 y que la medida de dos diámetros no difieran en más de 2%. Si la
probeta no cumplía con estos requisitos se la excluía el ensayo.
3° Antes de realizar el ensayo de esclerometría se tenía que pulir la cara
superior de las probetas y luego se aplicaba 10 impactos perpendiculares con el
esclerómetro digital, según lo estipulado en la norma NTP 339.181 (2013) y ASTM
C805 (2013). Si existían más de 2 lecturas que excedían en ± 6 unidades el
promedio (Qm) se descartaba el ensayo por su gran variabilidad. (Qm
- 6 ≤ Qi ≤ Qm + 6)
4° Se calculó el valor promedio Qm válido para esa probeta.
5° Enseguida se procedió a ensayar la probeta en la prensa hidráulica
para obtener su verdadera resistencia a la compresión (f´c
real).
6° El procedimiento se repitió para todas las probetas de la muestra
estadística.
Los equipos que se utilizaron fueron
los siguientes:
-
01 Esclerómetro Digital Silver Schmidth Tipo N, Marca
PROCEQ - Nro. Serie: SH01-002-0509 con certificado de calibración vigente
-
01 Prensa Marca ELE ADL 1500 N° serie1796-8-1944 (Laboratorio
USS).
-
01 Prensa marca Tamiequipos TCP 038, N° serie 655 (Laboratorio
A&C Exploración Geotécnica y Mecánica de Suelos SRL).
Foto 2: Ensayo de esclerometría
Una vez que se concluyeron los ensayos
de laboratorio se obtuvieron las correlaciones estadísticas según los siguientes
criterios:
-
Comparación del f’c real del ensayo en la prensa
hidráulica, con el f’c obtenido del esclerómetro según la ecuación de fábrica
pre instalada en el equipo.
-
Comparación del f’c real del ensayo en la prensa
hidráulica, con el valor Q (adimensional) obtenido del esclerómetro.
Ambas comparaciones se hicieron para
todas las probetas provenientes de diferentes obras y para las probetas de
diseño controlado (175, 210 y 280 kc/cm2).
Los estadísticos principales que se obtuvieron fueron la desviación
estándar, el coeficiente de correlación r2, la ecuación y el rango de
estimación del f’c en función a un coeficiente de
confiabilidad de 95% (Z= 1.96).
Así mismo se verificó cual sería el espesor máximo de concreto que el
ensayo de esclerómetro podría detectar, para lo cual se utilizaron probetas de Cem:Arena (1:4) que incorporaban capas de mortero con
esferas de poliestireno expandido (EPS) de espesor
variable de 5, 10, 20 y 30 cm. El supuesto era que el esclerómetro sería capaz detectar estas
variaciones drásticas de dureza y resistencia, y arrojaría valores de Q
diferentes para todas estas probetas, en caso contrario, si el esclerómetro era
capaz de detectar esto, arrojaría resistencias
similares para todas las probetas.
Foto 3: Probetas con concreto de diferentes densidades
Resultados
Por lo general los esclerómetros vienen con su propia ecuación de
fábrica (impresa en un ábaco o grabada en el software del equipo), pero se debe
tener en cuenta que estas ecuaciones solo son válidas para los países de
origen; por esta razón los primero resultados de la
investigación están relacionados con la confiabilidad de estas ecuaciones en
nuestro país.
Se comparó el f’c calculado por el
esclerómetro (con la ecuación de fábrica) vs. el f’c
real de la probeta ensayada en la prensa, habiéndose obtenido una correlación baja
de r2 = 0.7249. (ver gráfica N° 1)
Gráfica N° 1. Correlación entre f'c
del equipo vs. f'c Real (Utilizando Ec. De fábrica)
Así mismo, al utilizar esta ecuación de fábrica del esclerómetro para
estimar el f’c del concreto se obtuvieron errores de hasta el 100% al
compararlos con el f’c real de la prensa; lo que sugiere que no se debe
utilizar directamente estas ecuaciones de fábrica para estimar la resistencia
del concreto en nuestra región Lambayeque, ya que estas ecuaciones vienen
calibradas para los concretos de los países fabricantes de los equipos. (ver gráfica
N° 2)
La segunda correlación se obtuvo al comparar el valor Q (adimensional)
del esclerómetro vs. el f’c real de las probetas
ensayadas en la prensa, habiéndose obtenido la siguiente ecuación de correlación.
(ver gráfica N° 3)
y = 10.17x - 147.22 … (r2 = 0.7437)
Gráfica N° 2. Errores de estimación del
f´c, utilizando Ecuación de fábrica)
Gráfica N° 3. Correlación entre el
número de rebote (Q) vs. f'c real de las probetas
Como se observa la correlación no es muy alta, debido a la gran
variabilidad de concretos evaluados, que provenían de diferentes obras de la
región, lo que implicaban diferentes canteras de agregados, diferentes
granulometrías y dosificaciones.
Para el caso de concretos de diseño controlado, la correlación mejoró
considerablemente sobre todo cuando las probetas cumplían su ciclo completo de
curado, así se obtuvieron los siguientes resultados:
-Probetas a los 7 días: r2 = 0.726
-Probetas a los 14 días: r2
= 0.8446
-Probetas a los 28 días: r2
= 0.9467
Esta variación significativa de correlación se debe principalmente la
diferencia de dureza del concreto y contenido de humedad interno entre una
probeta de 7 días de curado y otra de 28 días.
En base a esto, se correlacionó solo los resultados de probetas ya
endurecidas a los 28 días, habiéndose obtenido la siguiente ecuación (ver
gráfica N° 4)
f’c =
11.05 Q - 257.26 (r²
= 0.9467)
Este resultado significa que cualquier medición hecha con el esclerómetro
tiene un 94.67% de probabilidad de ser estimada con esta ecuación.
Así mismo, con esta ecuación local se volvieron a calcular
los f’c teóricos y así determinar el error de estimación
(Diferencia entre f’c de la prensa – f’c ecuación local). De acuerdo a esto, se obtuvo una
desviación estándar ()
de los errores de estimación, de 8.8 kg/cm2 (3.7%)
Esto significa que para un nivel de confianza del 95% (1.96 ) se puede inferir que las
medidas hechas con el esclerómetro estarían en un rango de f’c
± 17.3 kg/cm2.( ± 7.2%).
Gráfica N°4. Correlación entre N° de
rebote (Q) vs. f'c (real) (probetas a 28 días)
Para el análisis del espesor máximo de concreto que es detectado por
el esclerómetro, se obtuvieron los siguientes resultados:
Gráfica N°5. Ensayo de esclerometría
en probetas con capas de densidades diferentes.
Donde:
E1: Probeta 30 cm concreto Cem:Arena
E2: Probeta 20 cm concreto + 10 cm EPS
E3: Probeta 10 cm concreto + 20 cm EPS
E4: Probeta 5 cm concreto + 25 cm EPS
E5: Probeta 100% mortero + EPS
Según se puede observar, el esclerómetro mostró casi los mismos
valores Q para probetas con capas de concreto de 5, 10, 20 y 30 cm, lo que
significaría que el ensayo de esclerometría puede determinar la dureza del
concreto solamente de los primeros 5 cm de profundidad.
Discusión
A diferencia de otras investigaciones que han encontrado correlaciones
entre el esclerómetro y el ensayo a compresión del concreto, todas las han
hecho solamente con probetas de diseño controlado; en nuestro caso se evaluaron
más de 300 probetas al azar provenientes de diferentes obras, lo que
significaba que nuestros resultados podrían ser utilizados de manera general
para cualquier tipo de obra. Sin embargo al tratar de
correlacionar todos estos valores con una sola ecuación, el coeficiente de
correlación resultó ser bajo (r2= 0.7437).
Sin embargo, para el concreto de diseño controlado, se encontró
resultados similares a
los obtenidos por otros autores como SUAREZ, E. (2013) y JIMENEZ, H.; cuyas
investigaciones también encontraron correlaciones superiores a 0.9 (Ver Gráfica
N° 4); siendo el error de los resultados de solo 7.2%, para un nivel de confiabilidad del 95%,
que es muy inferior al obtenido por
otros investigadores como DELIBES, A. (1993) y BUNGEY, J. (1997).
Otro aspecto por considerar es que se demostró, al igual que ROJAS, R.
(2010) y BUILES, R.; que la humedad del concreto afecta al número de rebote del
esclerómetro, y que los resultados en probetas que todavía no han cumplido su
tiempo de fraguado (7 y 14 días) tienen mucha dispersión y correlaciones muy
bajas; lo que significa que un ensayo de esclerometría necesariamente deberá
hacerse como mínimo cuando el concreto haya endurecido a los 28 días.
Uno de los aspectos que queda pendiente para una investigación
complementaria es determinar el espesor exacto de concreto hasta donde el
esclerómetro es capaz de estimar su dureza y resistencia, al respecto en la
presente investigación se encontró que sería solo de 5 cm de concreto como
máximo, sin embargo, este valor podría ser ajustado para rangos aún menores y
con un mayor número de testigos.
Conclusiones
·
Las ecuaciones de fábrica con las que vienen configurados los
esclerómetros no son válidas ni confiables para nuestro país, teniendo que
encontrarse una ecuación de correlación en cada región donde se tengan que
utilizar.
·
La correlación encontrada entre el valor Q (medido por el esclerómetro
y el f’c (obtenido en la prensa hidráulica) para
diferentes tipos de concreto (331 testigos de diferentes obras, canteras y dosificaciones),
fue baja (r2 = 0.7437) esto debido a la gran variabilidad de sus agregados
y procesos propios de obra. (Ver figura N° 16)
·
Sin embargo, en las probetas de diseño controlado (una misma cantera y
f’c: 175, 210 y 280 kg/cm2) que
completaron su periodo de fraguado y endurecimiento a 28 días, la correlación fue
muy buena (r² = 0.9467), siendo la ecuación de predicción, la siguiente:
f’c = 11.05 Q - 257.26
Para este caso, se obtuvo una desviación estándar de 8.8 kg/cm2
y teniendo en cuenta un nivel de confiablidad del 95% el f’c
del concreto estimado con el esclerómetro, podría encontrarse dentro de este
margen de error:
f’c ± 17 kg/cm2 o f’c ±
7.2%
·
Con respecto a la humedad interna de un concreto y el proceso de
fraguado, se concluye que estas afectan significativamente al ensayo del
esclerómetro, habiéndose obtenido una mejor correlación en los testigos que
habían cumplido su proceso de fraguado y endurecimiento a los 28 días; las
correlaciones que se obtuvieron así lo demuestran:
- Probetas ensayadas a los 7 días: r2
= 0.726
- Probetas ensayadas a los 14 días: r2
= 0.8446
- Probetas ensayadas a los 28 días: r2
= 0.9467
Por esta razón se recomienda que el ensayo de esclerometría se aplique
en elementos de concreto endurecido como mínimo a los 28 días.
·
El esclerómetro solo detecta la dureza y resistencia hasta los
primeros 5 cm de profundidad de una estructura de concreto, limitante que debe
tenerse en cuenta al momento de analizar las estructuras.
·
Como conclusión final, podemos manifestar que el ensayo de
esclerometría si se puede utilizar para estimar la resistencia a la compresión
del concreto pero bajo ciertas condiciones controladas
siempre y cuando se indique también el nivel de confiabilidad y el margen de
error estadístico.
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