Determinación de la resistencia del hormigón en tiempo real mediante cálculo de su madurez basándose en técnicas no destructivas de sensorización

Fuente: Obras Urbanas / Autor: Miguel Martín Cano; Sacyr

1. Introducción

Sacyr está llevando a cabo las obras de ampliación e instalaciones generales en un edificio existente en Avenida de Manoteras 12 de Madrid. El edificio se caracteriza por un nuevo esquema de la estructura que, junto con la definición de una línea estructural perimetral en coordinación con la nueva fachada y el uso de forjados postesados, permite obtener un esquema funcional de planta libre en las zonas de trabajo.

El postesado se convierte por tanto en una actividad crítica para el desarrollo normal de la obra, siendo necesario conseguir hormigones con resistencias Fck24h>25 MPa, lo que permite optimizar el tiempo de instalación de la fachada perimetral estructural.

En esta obra, la Dirección de I+D+i de Sacyr está aplicando técnicas de madurez mediante la aplicación de nuevas tecnologías para la determinación del índice de madurez del hormigón, lo que nos permite monitorizar en tiempo real la resistencia del hormigón y determinar el momento óptimo para realizar el postesado estructural.

2. Descripción empresa

Sacyr es un grupo diversificado, cuyos objetivos son la innovación y la expansión internacional en todas sus áreas: ingeniería e infraestructuras, concesiones, servicios e industrial. Sacyr desarrolla su actividad en cerca de treinta países de los cinco continentes trabajando a través de todas nuestras filiales.

En lo relacionado con Sacyr ingeniería e infraestructuras, filial constructora de Sacyr, cuenta con más de 30 años de experiencia en: Obra Civil e Infraestructura del Transporte, Edificación residencial y no residencial, Proyectos hídricos, Llave en mano/EPC y Diseño y construcción de proyectos singulares.

3. Descripción general del proyecto constructivo

En Sacyr Ingeniería e Infraestructuras se conocen todas las características técnicas de un material omnipresente en nuestras obras, el hormigón, y, basándonos en los objetivos de la compañía se decidió avanzar en el reto de conocer en tiempo real y con un bajo coste tanto la resistencia como la madurez del hormigón, probando el sistema en un proyecto real de construcción. Desde el área de innovación se comenzó a trabajar en ese sentido y, mediante la colaboración que se mantiene con Sigfox (líder mundial en IoT), implantamos la solución Maturix.

El proyecto constructivo plantea la sustitución del edificio preexistente en la Avenida de Manoteras 12 de Madrid por un nuevo edificio eficiente, representativo y funcional que, tras la demolición del forjado de planta segunda preexistente y superiores, posibilite un nuevo esquema estructural al agregar cinco nuevas plantas. El número total de plantas propuesto es de siete sobre rasante, casetón de cubierta y dos sótanos bajo rasante. La altura total, hasta el elemento más alto del edificio que se corresponde con el plano superior del peto de protección de la cubrición del casetón, alcanza los +31,60 m desde cota de nivelación de planta baja. La superficie total construida de dieciocho mil cientos diecinueve con treinta y seis metros cuadrados (18.119,36 m2).

La nueva fachada estructural proyectada en coordinación con la definición de una nueva línea estructural perimetral y el uso de forjados postesados, permiten obtener un esquema funcional de planta libre en las zonas de trabajo.

La planificación general de obra requiere para el cumplimiento de los plazos de proyecto, ejecutar el tesado de los forjados un día posterior al hormigonado de cada planta, lo que permite comenzar con la instalación de la fachada estructural perimetral sin penalizar la planificación.

La tipología de hormigón de estos forjados postesados proyectados era un HP-40 B/20IIa convencional lo que suponía un inconveniente para las operaciones de tesado planificadas, debido a que se requerían hormigones capaces de alcanzar resistencias adecuadas Fck24h>25 MPa (24 horas) para las operaciones de tesado.

Por tanto, la edad mínima para proceder al tesado dependía de varios factores como son la evolución de la resistencia y del módulo de deformación del hormigón, del curado, de la deformabilidad o de la proporción de la carga permanente que actúa en el momento del tesado. Para realizar el tesado lo antes posible, es necesario determinar cómo se desarrollan las resistencias mecánicas del hormigón a corto plazo, lo cual va a depender fundamentalmente de la composición de la mezcla y de la temperatura.

Se hacía necesario disponer de la tecnología adecuada que permitiera monitorizar este hormigón a edades tempranas para control de resistencia y asegurar la edad mínima a la que se alcanzaban dichos valores, permitiendo ejecutar el tesado.

El índice de madurez de un hormigón, basado en la correlación entre la evolución de la resistencia del hormigón con la temperatura y el tiempo, es un indicador excelente de la resistencia de cualquier hormigón en tiempo real. Para ello, basta tan solo con medir el tiempo transcurrido desde su puesta en obra y su temperatura para obtener la resistencia de dicho hormigón.

El método de la madurez del hormigón resultaba adecuado para la determinación de su resistencia a edades tempranas frente a otros métodos tradicionales para la evaluación de resistencias. En este sentido, el área de innovación de Sacyr, en colaboración con Sigfox, proveedor líder de conectividad para internet de las cosas (IoT), incorporó Maturix a la obra, una solución que, mediante IoT, permite conocer en tiempo real la resistencia y la madurez del hormigón, especialmente a edades tempranas…

4. Metodología

Introducción método madurez del hormigón.

El método de la madurez del hormigón es una técnica simple y no destructiva empleada en la monitorización de la evolución de resistencia de un hormigón. Consiste en un método, ampliamente contrastado y cuyo origen data de la década de 1940, basado en la relación existente entre la edad del hormigón, su temperatura de curado, y la correlación con su resistencia a compresión simple.

El concepto de madurez asume que las muestras de una mezcla de hormigón que tengan el mismo índice de madurez tendrán la misma resistencia, con independencia de la combinación de tiempo y temperatura con la que se alcance dicha madurez. El principio en el que se basa este método asume que la tasa de desarrollo de resistencia a edades tempranas en el hormigón está relacionada con la tasa de hidratación del cemento y su temperatura.

Cálculo y usos de los métodos de madurez

El cálculo del índice de madurez del hormigón está regulado por la normativa ASTM C 1074-98 cuyo procedimiento permite expresar este índice en términos de factor de madurez.

Este método requiere la calibración previa de una mezcla de hormigón patrón en condiciones de laboratorio, antes de que pueda usarse para correlacionar la madurez con su resistencia.

La curva de calibración de la madurez es específica para cada diseño de mezcla o para una dosificación específica, debiendo ser lo más representativa posible del hormigón utilizado en la obra, por lo que debe ser tomada en probetas a pie de obra. Una vez que la curva de calibración de la madurez se desarrolla en laboratorio, puede utilizarse para la estimación en obra de la resistencia a la compresión del hormigón en tiempo real.

La resistencia del hormigón se comprobó mediante ensayos de resistencia a compresión efectuados sobre probetas fabricadas y curadas según UNE-EN 12390-2. El registro térmico de la mezcla se realizó mediante sensores embutidos en el hormigón durante su puesta en obra.

La correlación entre la resistencia del hormigón y la temperatura alcanzada se realiza mediante curvas de correlación. La ecuación más conocida para la madurez se llama la ecuación de Nurse-Saul (ecuación del factor temperatura-tiempo). Este concepto de madurez se basa en una función lineal entre la temperatura y la ganancia de resistencia, donde se toma el área bajo la curva de temperatura (integral de la curva de temperatura) como el índice de madurez basado en la siguiente ecuación:

Donde:

M(t) = Representa el Índice de Madurez temperatura-tiempo a la edad t, expresado en grados-días o grados-horas.

Δt= Intervalo de tiempo, en días u horas.

Ta = Temperatura media del hormigón durante el intervalo Δt, en ° C.

T0 = temperatura de referencia, en ° C. Representa la temperatura a la cual el hormigón comienza a ganar resistencia. Es específica para cada hormigón.

También existen otras ecuaciones más complejas como la función de Arrhenius para calcular el índice de madurez. En la norma ASTM C1074 se describen ambas funciones.

Procedimiento de laboratorio para calcular la ecuación de correlación resistencia-madurez.

Una vez definida la formulación más adecuada capaz de alcanzar la resistencia de 25 Mpa a 24 horas, el siguiente paso consistió en determinar la curva de correlación de madurez-resistencia, proceso que comprendía los siguientes pasos:

1. Preparar un mínimo de 15 probetas cilíndricas (2 para determinar la resistencia a cada edad de roturar, 13 en total, y 2 más para registro del control térmico). Las edades indicadas por la ASTM C 1074-98 para la ejecución de ensayos es: 1, 3, 7, 14 y 28 días, aunque pueden adoptarse otras edades o incluso más edades.
2. Instalación de 2 sensores de temperatura en dos de las probetas, proporcionando la misma condición de curado para todas ellas. Durante todo el tiempo que duran los ensayos, las condiciones de curado deben ser las mismas para todas las probetas utilizadas en las pruebas en laboratorio.
3. Rotura de 2 probetas para cada etapa, determinando el valor de resistencia promedio. Importante tener en cuenta que si la diferencia de resistencia entre estas probetas excede del 10% hay que ensayar una tercera probeta.
4. Anotar el valor de temperatura/madurez definido por el sistema MATURIX, correlacionar la hora de ensayo de compresión con la madurez en esa fecha hora, utilizando planilla de asistencia para generación de curva de madurez. Los datos obtenidos por la mezcla de hormigón de proyecto fueron los que se pueden observar en la Figura 4.

   

   Figura 4: Datos de madurez obtenidos en las pruebas realizadas.

5. Introducir los valores anteriores en la aplicación anterior obteniendo, en función de la ecuación seleccionada, la curva de madurez para ese hormigón.

Debemos tener en cuenta que cualquier variación en la mezcla, incluyendo el contenido de agua o la variación en el suministro de cemento, pueden afectar la relación madurez-resistencia y deben ser consideradas al usar la curva original de calibración de madurez para una mezcla específica.

Tecnologías existentes en el mercado y grado de implantación en obra

Desde hace ya algún tiempo están surgiendo nuevas tecnologías, con sus propias particularidades y campo de aplicación, que tratan de facilitar la implantación de este método de monitorización de hormigón en el ámbito de ingeniería civil y edificación.

La forma de tratamiento de estos datos, la correlación entre la función adoptada, o la forma de conexión o el reporte del índice de madurez/resistencia, serán las variables que permiten diferenciar entre los diferentes sistemas actualmente desarrollados, siendo necesario tener en cuenta sus ventajas e inconvenientes y adoptar la tecnología que mejor se adapte a nuestras necesidades. Así, podemos encontrar:

• Sensores inalámbricos: constan de un sensor de temperatura y un emisor, que quedan embutidos en la masa de hormigón durante el hormigonado y que transmite vía wifi los datos a una app. Vida útil: Aprox. 3 meses.
• Sensores con cable: consta de un sensor que se embute en el hormigón fresco. La toma de lectura requiere conectarlo a un datalogger. Transmisión de datos a una plataforma web.
• Sensores basados en infrarrojos: que capturan la imagen térmica en cada punto y la correlacionan con su resistencia. Transmisión a una plataforma web.

Respecto a la implantación actual de esta metodología en el ámbito de la ingeniería civil ha resultado desigual y poco generalizada a pesar de las muchas ventajas que aporta respecto a las técnicas destructivas tradicionales basadas en rotura de probetas.

A ello han contribuido, entre otros factores, el cambio normativo que requiere su implantación, en determinados países, el elevado coste económico que suponía la adquisición de tecnología para su monitorización o la dificultad a priori de llevarlo a cabo, frente a las técnicas tradicionales destructivas, más económicas y contempladas en la práctica totalidad de normativas estructurales a nivel mundial.

En países como EE.UU. o Chile esta metodología está normalizada y su empleo es habitual en obras de construcción. El método de madurez del hormigón es ampliamente adoptado por la DOTs en Norteamérica, así como por la dirección de vialidad del Ministerio de Obras Públicas.

Pruebas de laboratorio e Implantación de la tecnología MATURIX a escala real en obra

Seleccionada la formulación del hormigón a emplear en obra, el primer paso previo a su implantación consistió en la fabricación en laboratorio de las probetas patrón para la determinación de la curva madurez de dicho hormigón.

Las probetas se fabricaron a pie de obra y después de 24 horas se trasladaron a la cámara húmeda de laboratorio donde se fueron rompiendo a las diferentes edades establecidas.

Una vez completada la rotura a 28 días de las últimas probetas, recopilamos los datos que fueron introducidos en la aplicación MATURIX, aplicando para la determinación de la curva de regresión la función de Arrhenius. La representación de la curva obtenida es la mostrada en la figura 6.

La monitorización con esta tecnología se realizó sobre uno de los forjados de obra, donde se instalaron 3 sensores embutidos en el hormigón con sus correspondientes transmisores. Este transmisor inalámbrico envía, a través de la tecnología desarrollada por Sigfox, datos con la cadencia deseada a una plataforma desde la cual se podía monitorizar en tiempo real datos representativos del hormigón.

Esta primera prueba se monitorizó durante 28 días durante los cuales el sistema fue registrando la medida de los diferentes sensores y representando en la aplicación diferentes magnitudes, como temperatura y resistencia en forma gráfica durante todo el proceso.

El registro térmico extraído de la plataforma MATURIX durante el fraguado y primeras horas de endurecimiento del hormigón fue el indicado en la figura 9.

La representación gráfica de la curva de ganancia de resistencia a compresión simple de dicho hormigón, extraída igualmente de la plataforma MATURIX fue el indicado en la figura 10.

La plataforma igualmente permitió registrar la variación térmica climatológica durante todo el proceso, representando dichas variaciones en una gráfica como la indicada la figura 11.

A través de la aplicación MATURIX pudimos configurar una serie de alarmas que avisaban cuando se cumplían las condiciones, en este caso al alcanzar un determinado valor de resistencia a compresión simple superior a 25 MPa, previamente establecidas. No obstante, el vacío regulatorio existente en España para esta tecnología nos obligó a ratificar dichos resultados mediante la rotura a compresión simple de probetas cilíndricas.

La correlación entre los datos obtenidos por ambos sistemas independientes presentó una correlación entre el 90-95%, optimizando el tiempo en la mayoría de los casos respecto a los sistemas tradicionales de calidad de la obra.

Ventajas

Los resultados derivados de aplicar esta metodología de control suponen un importante avance tecnológico que aporta determinadas ventajas respecto a los sistemas tradicionales empleados en obra.

1.  Reduce costes de ensayos de laboratorio.
2.  Proporciona información sobre evolución de resistencia en tiempo real. Permite conocer de forma continua la evolución de este parámetro.
3.  Control continuo de la temperatura del hormigón. Ayudará a conocer en profundidad la intensidad de la reacción química producida, sobre todo en las primeras horas de la puesta en obra.
4.  Monitorización continua de la resistencia del hormigón.
5.  Acelera y optimiza la producción y flujos de trabajo.
6.  Sistema no destructivo para el cálculo de resistencia.
7.  Posibilidad de configurar alarmas vía correo electrónico cuando la mezcla ha alcanzado la resistencia definida.
8.  Proporciona información fiable de determinadas zonas críticas estructurales, determinando el momento exacto en el que alcanza la resistencia prefijada.

La tecnología desarrollada por Sigfox presenta algunas ventajas añadidas respecto a sistemas análogos existentes para el cálculo de la madurez, entre ellos destacamos:

1.  No se produce pérdida del transmisor, lo único que se queda embebido en el hormigón es la fracción del termopar.
2.  El coste de la solución es mucho más económico que cualquier solución actual similar.
3.  Creación de diferentes perfiles en la plataforma de Maturix con diferentes permisos para el control de los datos monitorizados.

Inconvenientes

1.  Mayor coste inicial de adquisición, que se amortiza con el uso.
2.  Deben tomarse ciertas precauciones en la puesta en obra durante el vertido del hormigón en el área de influencia del sensor para que éste se quede embebido en la mezcla y, por lo tanto, para que la información enviada sea veraz.

Conclusiones:

Los avances tecnológicos expuestos anteriormente han sido validados en una obra de Sacyr Ingeniería e Infraestructuras obteniendo unos resultados muy satisfactorios, que han permitido determinar el momento preciso en el que el hormigón alcanza los criterios de resistencia adecuados, optimizando el resto de las unidades de obra.

Se pretende escalar esta solución al resto de obras, consiguiendo una solución diferencial con respecto a la competencia obteniendo siempre la máxima calidad para mejorar las infraestructuras y los servicios a los ciudadanos.

Como resumen de conclusiones exponemos en el siguiente vídeo los beneficios conseguidos con el empleo durante la puesta en obra con los principales resultados del proyecto.