CAPITULO8. CONTROL DE CALIDAD DE OBRAS DE HORMIGON
8.1. Generalidades
El hormigón en obra es un material esencialmente variable, debido a que cada uno de los numerosos parámetros que intervienen condicionándolo son, a su vez, variables.
Por este motivo, si se desea mantener sus características dentro de un rango aceptable, es necesario someterlo a un cierto grado de control de calidad, tanto más estricto cuanto más estrecho sea el rango de variación deseable.
Puede entonces decirse que el objeto del control de calidad es observar el comportamiento de
determinadas características del hormigón, de manera de tomar medidas que permitan mantenerlas dentro de límites considerados como aceptables.
De esta manera, el alcance del control de calidad a desarrollar debe fijarse en función de los parámetros que se desea someter a control y, evidentemente, debe ser también proporcionado a las características de la obra, principalmente en lo que concierne a su costo.
Sobre la base anterior, pueden definirse ciertos grados o niveles de control de calidad en la forma que se indica en la Tabla 8.1 :
En la Tabla en referencia se han incluido a título referencial los diferentes niveles que podría abarcar en forma sucesiva el control de calidad en una obra de hormigón de acuerdo a su magnitud.
En ella se considera como nivel primario mínimo el control de resistencias, generalmente efectuado por medio de un laboratorio externo a la obra. Este control sólo permitirá disponer de una evaluación a posteriori del cumplimiento de la resistencia especificada y, en caso de falla, evaluar su importancia y definir las medidas a tomar por parte del proyectista de la obra.
En el caso de desear la ejecución de un control mínimo de carácter preventivo, se plantea la conveniencia de incluir la medición de la docilidad del hormigón mediante, por ejemplo, la determinación del asentamiento de cono del hormigón en forma periódica. La ejecución de este control permitirá mantener la docilidad dentro de límites aceptables y, en forma indirecta y con menor certidumbre, la razón agua/cemento del hormigón.
Un mayor grado de control puede lograrse si, además, se efectúan verificaciones periódicas de la razón agua/cemento real del hormigón, lo cual hace necesario un equipamiento adecuado para medir humedades de los áridos. Ello permitirá efectuar correcciones principalmente de la dosis de cemento, si se observa que los valores controlados se apartan del previsto al dosificar el hormigón.
Dado que la variación de la razón agua/cemento es normalmente causada por las variaciones de las granulometrías de los áridos, una mayor exactitud en las correcciones de dosificación puede obtenerse si es posible evaluar la magnitud de dichas variaciones de granulometría. Una estimación de esas variaciones puede obtenerse efectuando una granulometría simplificada de los áridos, a través de una malla de abertura intermedia a los tamaños máximo y mínimo del árido, y relacionando el porcentaje que pasa por ella con alguna propiedad granulométrica, por ejemplo el módulo de finura. Este procedimiento permitirá mantener la granulometría del árido total del hormigón dentro de un rango relativamente constante.
Un grado aún mayor de control puede obtenerse si periódicamente se efectúan revisiones de las dosificaciones en uso en la obra. Ello requiere del equipamiento necesario para efectuar ensayos completos de los áridos, lo cual implica a su vez el montaje de un laboratorio en obra.
Finalmente, el mayor nivel de control se obtiene si, además, se verifican en forma sistemática los procedimientos de ejecución de la obra, principalmente en lo que concierne a su colocación, compactación y curado. Esta supervisión, para que sea efectiva, debe ser efectuada por personal inspectivo residente en la obra e independiente del personal ejecutivo de ella, definiéndose instancias de aprobación e informe de. los procesos sometidos a inspección.
8.2. Evaluación de Resultados
Todo proceso de control de calidad conduce a la obtención de resultados, los cuales deben evaluarse e interpretarse, de manera de extraer las conclusiones y tomar las medidas correctivas pertinentes. ·
En general, este proceso de evaluación debe· efectuarse en base a un conjunto de valores sucesivos, pues normalmente el resultado obtenido por medio de un solo valor independiente es de poca significación y puede conducir a medidas correctivas erróneas. Si éste proviene de una falta accidental no atribuible al proceso en curso.
Por este motivo, para la evaluación de los resultados obtenidos en el control deben emplearse conjuntos de valores, caso en el cual es de gran utilidad el empleo de técnicas estadísticas para la respectiva interpretación.
En los párrafos que siguen se resumirán las técnicas de mayor uso en relación con el control de calidad de obras de hormigón.
8.2.1. Conceptos Estadísticos Básicos.
Las técnicas de evaluación. estadística recurren al uso de distintos conceptos, de los cuales resumiremos los relacionados con los cuantificadores, las distribuciones y las técnicas de correlación, que se estima son las de mayor empleo en la materia en desarrollo.
a Cuantificadores Estadísticos. Los cuantificadores estadísticos miden magnitudes características de los valores obtenidos. Los de mayor uso son los que se tabulan a continuación:
b Distribuciones Estadísticas. Las distribuciones estadísticas permiten expresar mediante relaciones funcionales la forma en que se agrupan los valores obtenidos. La de mayor uso es la distribución Normal o de Gauss, cuya expresión funcional es:
e Técnicas de Correlación. Están destinadas a obtener la relación funcional de tipo lineal más probable para ligar dos variables que varían al azar.
El grado de relación de estas variables se mide a través del coeficiente de correlación, cuya expresión es:
el cual puede tener un valor comprendido entre 0 y 1 , acercándose a este último valor mientra mejor sea la correlación existente.
Si el grado de correlación entre las dos variables es alto, puede calcularse la ecuación lineal que las correlaciona. Para ello, si se considera la ecuación de la recta y = ax + b, los valores más probables de los coeficientes a y b serán los dados por las siguientes expresiones:
En base a los conceptos establecidos es posible indicar en forma general los criterios a seguir para evaluar los resultados obtenidos durante el desarrollo del proceso de control de calidad de una obra de hormigón.
Estos criterios han sido estudiados y definidos en lo que concierne a valores de resistencias, pero no sucede lo mismo con los otros parámetros de control señalados anteriormente.
Por esta razón, se analizará en forma detallada su forma de aplicación al control de resistencias, señalándose adicionalmente la experiencia del autor para otros de los criterios de control definidos en el párrafo designado Generalidades de este mismo Capítulo, como son la medición de la trabajabilidad y de la razón agua/cemento, parámetros que son de amplio uso en las obras de ingeniería.
8.2.2. Evaluación de Resultados de Resistencias.
Si el control de calidad realizado ha conducido a la obtención de un determinado número de valores de resistencia, denominado lote, es necesario determinar si este conjunto satisface la resistencia especificada por el Proyectista. En consecuencia, esta evaluación deberá efectuarse para cada parte de obra que tenga una misma resistencia especificada.
La Norma NCh 1998 considera para este objeto dos criterios de evaluación:
a Por parcialidades mediante grupos de muestras consecutivas, denominado también criterio de promedio móvil.
b Por el total de muestras que constituye el lote, equivalente al designado de resistencia característica en algunos textos de tecnología del hormigón.
La aplicación de estos criterios se efectúa en la forma que se señala a continuación:
a Evaluación por parcialidades mediante grupos de muestras consecutivas. En este criterio se calcula el promedio de tres muestras sucesivas.
Se considera que el lote cumple la resistencia especificada si para todos los grupos de tres muestras sucesivas se cumplen simultáneamente las siguientes condiciones:
b Evaluación considerando el total de muestras del lote. En este criterio se asigna a los valores obtenidos una distribución de Student (distribución) y, a partir de la resistencia media y la desviaci911normal del lote, se establece que el lote cumple la resistencia especificada si se cumplen simultáneamente las siguientes condiciones:
El coeficiente t puede obtenerse de tablas estadísticas o de la misma Norma NCh 1998. Para lotes constituidos por 30 o más resistencias, él tiene los valores siguientes:
Para aplicar el criterio de evaluación por el total de muestras del lote, debe contarse con un número adecuado de valores, que generalmente se especifica en un mínimo de quince, con el objeto de asegurar principalmente que el valor calculado para la desviación normal tiene un buen nivel de confiabilidad.
Por este motivo, tiene el inconveniente de ser utilizable sólo en obras de cierta magnitud, que haga justificable la obtención de un muestreo que proporcione el número señalado de valores en un tiempo relativamente corto.
Presenta, además, el inconveniente de hacerse cada vez más insensible a los nuevos valores de resistencia agregados, por lo que no resulta adecuada para detectar períodos de resistencias defectuosas que pudieran producirse cuando el número de valores evaluados es alto. Este inconveniente puede superarse si el lote total se subdivide en lotes parciales.
Este criterio debe también emplearse para establecer la dosificación de partida de una obra específica. Dado que en este caso no es conocida la desviación normal que se tendrá en la obra, ésta debe ser estimada en un valor seguro, relativo al nivel de control de calidad que se haya previsto desarrollar en obra, objeto para el cual pueden utilizarse los valores que se señalan posteriormente en este mismo Capítulo en el párrafo 8.3.2.
Al aplicar los criterios de evaluación descritos debe tenerse en cuenta que, si bien ellos se apoyan en conceptos estadísticos, no coinciden con los establecidos con algunas Normas de cálculo estructural de amplia aceptación como las ACI y DIN, las cuales al ser empleadas como base de diseño, deben también ser consideradas con sus correspondientes criterios de evaluación.
Por este motivo, tiene el inconveniente de ser utilizable sólo en obras de cierta magnitud, que haga justificable la obtención de un muestreo que proporcione el número señalado de valores.
Presenta, además, el inconveniente de hacerse cada vez más insensible a los nuevos valores de resistencia agregados, por lo que no resulta adecuada para detectar las resistencias defectuosas que pudieran producirse cuando el número de valores considerados es alto. Este inconveniente puede. superarse si el criterio se aplica agrupando los valores en lugar de hacerlo con el total de ellos.
El criterio de resistencia característica debe también emplearse para establecer la dosificación de partida de una obra determinada. En este caso, inversamente a la situación analizada, debe determinarse la resistencia media que asegura el cumplimiento de la resistencia especificada, sumando a esta última el valor del producto ks.
Dado que ahora no es conocida la desviación típica que se tendrá en la obra, ésta debe ser estimada en un valor seguro, relativo al nivel de control de calidad que se haya previsto desarrollar en obra. Para este objeto, pueden utilizarse los valores que se señalan posteriormente en este mismo Capítulo en el párrafo 8.3.1. Calidad del Control Realizado.
b Criterio de promedio móvil, En este criterio se calcula el promedio de un número sucesivo de valores, el cual es definido de acuerdo a la fracción defectuosa que se haya definido, de acuerdo a la siguiente Tabla:
Cada uno de los promedios así calculados se compara con la resistencia especificada, determinándose que ésta se ha cumplido si los primeros son superiores a ésta y no existe ningún valor individual inferior a la resistencia especificada menos 35 kg/cm2.
Como puede verse, es un criterio más simple que el de resistencia característica, presentando, además, la ventaja de permitir la detección de tendencias a medida que se realiza el control.
La evaluación de resultados de resistencias permite obtener información sólo a posteriori en la mayoría de las obras, excepto en aquellas que sean de muy larga duración. Por este motivo, es conveniente obtener correlaciones con resistencias a edades más tempranas, de manera de poder predecir con mayor antelación los valores correspondientes a la edad de especificación que nominalmente es de 28 días o superior.
Para obtener esta correlación, debe preverse un muestreo que permita el ensayo de probetas a edades anteriores a la de especificación y con los valores así obtenidos establecer la relación, teniendo en consideración algunas de las fórmulas señaladas sobre la materia en 4.3.1.c Edad del hormigón.
8.2.3. Evaluación de Resultados de Medición de Docilidad.
Tal como se indicó anteriormente, las mediciones de docilidad están destinadas a verificar indirectamente la razón agua/cemento del hormigón y, en consecuencia, su resistencia.
La correlación existente entre los mencionados parámetros no es normalmente muy estrecha, motivo por el cual la evaluación respectiva no es aconsejable efectuarla en base a los valores individuales de los asentamientos medidos, si no considerando valores sucesivos agrupados.
Por otra parte, como las mediciones de docilidad tienen un carácter eminentemente correctivo, no es tampoco adecuado agrupar demasiados valores sucesivos, para no retardar su evaluación.
Por estas razones, el autor estima que un criterio adecuado consiste en la aplicación de un cálculo de promedio móvil en base a dos valores de medición sucesivos, efectuándose las correcciones pertinentes si éste se sale del rango aceptable previsto.
A título informativo, puede señalarse que, si se emplea el asentamiento de cono como medida de la trabajabilidad, el rango generalmente fijado es ± 2 cm con respecto al asentamiento usado para establecer la dosificación en uso, procediéndose a corregir la dosis de agua si se excede dicho rango y rechazándose el hormigón si éste excede en más de 5 cm el límite superior del rango indicado.
Los valores de rangos de corrección y rechazo señalados corresponden a una estimación de fracción defectuosa de 10%, debiendo ampliarse si se utiliza un valor mayor o reducirse para uno menor.
8.2.4. Evaluación de Resultados de Medición de Razón Agua/Cemento.
La determinación de la razón agua/cemento hace necesario conocer la cantidad total de agua introducida en el hormigón, la cual, como se ha visto anteriormente, proviene parcialmente de la humedad contenida en los áridos.
Por este motivo, para el conocimiento la razón agua/cemento deben efectuarse necesariamente mediciones de humedad de los áridos. Dado que estas mediciones requieren de un cierto tiempo para su ejecución, la determinación de la razón agua/cemento no puede usarse normalmente para corregir las variaciones de la dosis de agua en uso para el hormigón, sino como una verificación indirecta de si se han producido variaciones de su granulometría total.
Esta consideración hace ver que tampoco los valores de razón agua/cemento pueden considerarse en forma individual, sino que es conveniente verificar si presentan alguna tendencia que haga conveniente efectuar alguna corrección de la dosificación, la cual deberá consistir en una variación de la dosis de cemento del hormigón, destinada a mantener la razón agua/cemento dentro de límites aceptables.
Por las razones expuestas, se estima que un criterio aceptable en este caso es similar al señalado para las mediciones de trabajabilidad, adoptando como rango de aceptación uno de ± 0.03 con respecto a la razón teórica prevista en la dosificación del hormigón en uso, procediéndose a corregir la dosis de cemento al excederse dicho límite y debiendo revisarse la dosificación completa si se excede un rango de ± 0.06 de dicho valor teórico.
8.3. Evaluación del Control de Calidad Realizado
8.3.1. Calidad del Control Realizado
El nivel de control que se mantiene en una obra determinada debe también ser evaluado, con el objeto de establecer si cumple con las condiciones previstas al planificarlo y, en especial, si el costo que representa es proporcionado con los resultados obtenidos.
Para realizar esta evaluación, se han establecido criterios en relación con las resistencias, que permiten la calificación del control realizado en base al valor de la desviación típica o del coeficiente de variación obtenidos, usándose para este objeto las cifras que se señalan en la Tabla 8.5:
Los valores de la desviación normal pueden ser también empleados para la determinación de la dosificación de partida en una obra, en la forma señalada en el párrafo 8.2.2.b.
A su vez, el intervalo medio de una serie de muestras permite calcular una estimación de la desviación normal de los valores que integran cada una de las muestras. Para este objeto, el intervalo medio debe multiplicarse por un coeficiente 1 id 2, que depende del número de valores k que constituye cada muestra, el cual se señala en la Tabla 8.6:
8.3.2. Calidad de los ensayos empleados para el control
Otro aspecto que también es conveniente calificar durante la ejecución del control de una obra es la calidad de los ensayos efectuados. Para ello pueden emplearse como referencia los resultados obtenidos en probetas compañeras pertenecientes a una misma muestra, puesto que las desviaciones que se registren entre ellas sólo puede atribuirse a defectos inherentes a su muestreo y ensayo.
En consecuencia, el rango o diferencia de valores entre probetas compañeras pertenecientes a una misma muestra medirá la calidad de los ensayos efectuados. Los rangos permiten disponer de una estimación de la desviación típica del conjunto de valores a los cuales pertenecen. Para este objeto, deben combinarse sumando sus valores cuadráticos y, en seguida, extrayendo la raíz cuadrada de la suma, de acuerdo a la siguiente expresión:
El valor dm obtenido debe multiplicarse por un coeficiente que depende del número de valores usados para calcular cada rango individual el cual se señala en la Tabla 8.6 :
La desviación típica así obtenida, dividida por el promedio de los valores de resistencia correspondientes, indica el valor del coeficiente de variación asignable al ensayo de muestras, el cual a su vez permite calificarlo de acuerdo a la Tabla 8. 7.:
8.4. Control del Hormigón en Sitio
Si durante la construcción de la obra el control de calidad realizado indica anomalías en su ejecución, normalmente es necesario efectuar verificaciones sobre el hormigón ya colocado en la obra. En general, estas verificaciones van dirigidas a determinar la resistencia del hormigón en sitio y para este objeto una pauta adecuada consiste en realizar primeramente controles no destructivos y, de acuerdo a lo que ellos indiquen, tomar la decisión de extraer muestras para la ejecución de ensayos destructivos.
Esta parte del texto estará destinada a indicar algunos antecedentes de cómo efectuar esas verificaciones y la forma de evaluarlas.
8.4.1. Ejecución de Ensayos no Destructivos.
Existen numerosos tipos de ensayos no destructivos, es decir, que permiten verificar indirectamente la resistencia del hormigón sin producir daño sobre él.
En este párrafo se describirán algunos de los más utilizados para ello, tales como la determinación del indice esclerométrico mediante martillo Schmidt, de la velocidad de propagación de ondas ultrasónicas y de la profundidad de penetración de clavos de acero.
a Determinación del indicé Esclerométrico mediante Martillo Schmidt. El martillo Schmidt mide la dureza superficial del hormigón a partir del rebote producido por una pequeña masa cilíndrica de acero disparada contra la superficie por medio de un resorte calibrado, En la Figura 8.1 puede observarse la disposición interna del Martillo para producir el efecto señalado y, en particular, de la posición de la masa y del resorte que producen el rebote, el cual es medido por medio de la escala también en ella señalada,
El valor numérico registrado en la mencionada escala se denomina índice esclerométrico y mide la dureza en el punto en que se produjo el impacto del martillo,
Para este objeto, la superficie debe ser suficientemente limpia y lisa, de manera que el impacto sea directo y completo sobre la superficie abarcada por el cilindro que la golpea, La ejecución de la medida mediante el índice esclerométrico está regulada por NCh 1565, la cual establece las siguientes condiciones:
- El elemento bajo control esclerométrico debe tener una dimensión mínima de 10 cm en el sentido de aplicación del golpe con el martillo.
- La superficie sobre la cual se aplica el golpe debe ser lisa, sin “nidos de piedras” y sin recubrimientos de ningún tipo, Si se trata de un hormigón de más de seis meses de edad y su superficie se presenta con carbonatación, debe desbastarse hasta una profundidad mínima de 5 mm,
- La medición debe efectuarse dando 1 O golpes en una superficie de 20 x 20 cm.
- De los valores obtenidos deben descartarse los que se aparten en más de 7 unidades del promedio, Si por esta razón se eliminan más de tres puntos, la medición completa debe ser realizada en otra zona,
- El valor representativo del sector controlado será el promedio de las lecturas válidas.
El índice Esclerométrico puede ser correlacionado con la resistencia a compresión del hormigón. En la Figura 8.2 se incluye la curva de relación anexa al mismo martillo.
FIG. 8.2. Curva de Relación indicé Esclerométrico-Resistencia.
Debe señalarse, sin embargo, que a pesar de lo indicado por esas curvas, la correlación entre ambos factores no es buena, existiendo una dispersión que es significativa. Ello se debe a que existen numerosos factores que inciden en este aspecto, entre los cuales pueden señalarse :
- El estado de la superficie
- El tamaño del elemento controlado
- Las características del hormigón
- La edad del hormigón
- La carbonatación superficial producida
- La dirección de aplicación del golpe
Por otra parte, el Martillo debe ser calibrado periódicamente, pues la tensión del resorte que aplica el golpe varia con el tiempo, para lo cual debe emplearse un implemento especial, consistente en un cilindro de acero de dureza regulada contra el cual debe hacerse el rebote, debiendo obtenerse un valor predeterminado. Si éste no se obtiene, debe regularse la tensión del resorte hasta obtenerlo, o bien, si ello no fuera posible, cambiarlo y proceder nuevamente en la forma señalada.
Por los motivos expuestos, el indicé Esclerométrico no debe ser considerado como un valor absoluto, sino más bien de referencia cualitativa o, preferentemente, comparativo con respecto de otros hormigones de la misma obra, cuya calidad haya sido aceptable.
Para este último objeto, es una buena práctica, en obras de cierta magnitud, efectuar en las probetas de ensayo una medición con el Martillo Schmidt previa a su rotura, con lo cual es posible, después de un cierto tiempo, disponer de una curva de correlación específica para la obra bajo control.
b Determinación de la Velocidad de Propagación Ultrasónica. Consiste en determinar, mediante un aparato adecuado, la velocidad con que se propaga una onda de alta frecuencia en la masa del hormigón.
Los pulsos ultrasónicos son generados en un cabezal emisor y recibidos por otro cabezal colocado a una cierta distancia del primero.
Para lograr una buena medición es necesario que exista un buen contacto de los cabezales con la superficie del hormigón, para lo cual deben estar éstas muy limpias y lisas, acostumbrándose, además, colocar una materia, como grasa o vaselina, que facilite dicho contacto.
El tiempo transcurrido desde la emisión hasta la recepción de la onda se mide mediante un reloj electrónico incluido en el equipo.
La velocidad puede medirse en diferentes formas: por transparencia, superficialmente o semidirecta, las que se resumen en la Figura 8.3.
FIG. 8.3. Tipos de medición de Velocidad Ultrasónica.
La velocidad ultrasónica puede correlacionarse con la resistencia del hormigón, presentándose limitaciones similares a las señaladas para el Martillo Schmidt. Es posible también calificar directamente la calidad del hormigón en base al valor de la velocidad, utilizándose para este objeto criterios como el señalado a continuación:
c Medición de la Profundidad de Penetración de Clavos de Acero. El método consiste en introducir en la superficie clavos de acero disparados con explosivo mediante una pistola especial para este objeto en la forma que se señala en la Figura 8.4 .
La penetración lograda por el clavo constituye una medida de la dureza e, indirectamente, de la resistencia del hormigón.
Esta penetración puede también correlacionarse con la resistencia del hormigón, presentando ella los mismos inconvenientes y limitaciones señaladas para el Martillo Schmidt, debiendo señalarse como factor adicional la influencia del árido grueso, que puede producir desviaciones o rechazo parcial del clavo.
Para lograr un buen resultado es necesario calibrar frecuentemente la pistola, especialmente si se cambia el tipo de explosivo empleado.
8.4.2. Ejecución de Ensayos Destructivos.
Si los ensayos no destructivos que se han mencionado arrojan dudas respecto de la calidad del hormigón en sitio, es conveniente proceder a la extracción de muestras del hormigón
en sitio. Para ello puede recurrirse a la extracción de testigos mediante sonda para ser sometidos a ensayo.
Para este tipo de evaluación es conveniente seguir una pauta normalizada. Los párrafos que siguen se basan en el criterio establecido para este objeto por el Código ACI 318.
La extracción de testigos debe efectuarse en una cantidad no inferior a tres por cada muestra que hubiese dado un valor de resistencia inferior en más de 35 kg/cm2 a la resistencia especificada.
Estos testigos deben ser convenientemente preparados para su ensayo. Dentro de esta preparación debe darse especial importancia a la rectificación de las caras de ensayo, para lo cual puede utilizarse el pulimentado de las superficies o, en su defecto, su rectificación, colocando una película superficial de pasta de cemento de alta resistencia inicial o bien azufre fundido, e igualmente a su estado de humedad, el cual debe ser similar al de la estructura en evaluación.
El resultado obtenido se considerará aceptable si el promedio de los testigos ensayados es por lo menos igual a un 85% de la resistencia especificada y no hay ningún valor individual inferior a un 75% de dicha resistencia especificada.
En caso de falla de esta condición, la estructura puede ser sometida a pruebas de carga.
