INTRODUCCIÓN

Una estructura de concreto armado debe satisfacer durante su vida útil los requisitos para los que fue diseñada. Sin embargo, sus condiciones pueden cambiar a lo largo de su vida útil por lo que, pasado cierto tiempo, la estructura puede precisar operaciones de acondicionamiento y refuerzo que le permitan hacer frente a la nueva situación de ser vicio. Uno de los sistemas más eficaces para estas operaciones es el refuerzo mediante materiales compuestos y estratégicos para el desarrollo sostenible ¹. Se define como material compuesto a "todo material combinado a partir de una unión (no química) de dos o más componentes, que dan lugar a propiedades características específicas, no siendo ninguna de las anteriores" ². En la actualidad, una solución muy utilizada son los elementos estructurales de concreto armado (Fibre Reinforced Polymer-FRP), los cuales presentan indudables ventajas reconocidas en el ámbito profesional, pero también algunas desventajas que en ocasiones hacen dudar de su eficacia ³. Uno de los aspectos positivos de emplear materiales compuestos como elementos de refuerzo se basa en sus excelentes propiedades mecánicas y en su anisotropía. El refuerzo puede ser ajustado a voluntad, orientando las fibras de acuerdo con las direcciones en las que se originan los mayores esfuerzos, lo que permite optimizar el material y reducir los costos.

Dos cuestiones de suma importancia en la ejecución del refuerzo son la calidad y el estado del soporte, y la adecuada colocación de la fibra. El conocimiento en mayor profundidad de las condiciones del soporte y del estado de la adherencia entre el concreto y los polímeros armados con fibra optimiza el refuerzo. La estructura y las propiedades de las uniones entre materiales, por una parte fibra-matriz y, por otra, FRP con el concreto, juegan un papel muy importante en las propiedades físicas y mecánicas finales del refuerzo. Los ensayos semidestructivos tipo pull-off⁴ aportan suficiente información a este respecto, como se muestra en el presente trabajo. En 1997 Horiguchi y Saeki ⁵ realizaron estudios sobre la idoneidad de los ensayos y la influencia de la calidad del concreto en probetas reforzadas con laminados de fibra de carbono. Así, analizaron tres tipos de ensayos: de corte, de flexión y de tracción directa pull-off. Allen y Atadero ⁶ emplearon también el ensayo de pull-off para valorar el comportamiento del FRP a largo plazo.

Bai, Basheer, Cleland y Long ⁷ desarrollan la historia del ensayo de pull-off y su aplicación en ingeniería. Es el único ensayo de adherencia sobre el concreto que está normalizado. Los documentos ASTM D7522 ⁽⁸) y ACI 440 3R-12 en su parte 3 ⁶ proporcionan especificaciones detalladas. Asimismo, el documento de la Sociedad Japonesa de Ingenieros Civiles JSCE-E545-2000 muestra detalladamente el procedimiento para este tipo de ensayo ^9). Los ensayos de adhesión directa sobre el concreto se encuentran definidos en la norma europea UNE EN 1542 ¹⁰.

En cuanto a la técnica de ultrasonidos, Scarponi y Briotti ¹¹, y Bastianini, Di Tommaso y Pascale ¹² han utilizado ensayos de ultrasonidos para determinar defectos de adhesión. Por su parte, Ekenel y Myers ¹³, y Helmerich, Milmann y Wöstmann ¹⁴ utilizaron esta técnica de inspección no destructiva para la evaluación de delaminaciones en varios materiales compuestos. Por lo tanto, el control del comportamiento de la unión entre materiales es fundamental para eliminar la incertidumbre de la eficiencia de los refuerzos con materiales compuestos ^15)-(16.

El objetivo de la investigación es evaluar la adherencia del refuerzo de FRP en estructuras de concreto armado mediante técnicas no destructivas y semidestructivas, como parte de un protocolo de control de calidad del refuerzo que permita valorar su eficacia. Para la valoración de la efectividad del enlace entre el sustrato y el refuerzo se distinguen dos escenarios: uno local, referido al sustrato por reforzar, y otro de conjunto, que contempla el sustrato y el refuerzo. La singularidad de la investigación reside en el estudio de un método no destructivo, como es el ensayo de ultrasonidos, como prueba válida de control de calidad, basándose en la unión entre el refuerzo de FRP y el soporte ¹⁷. Esta es una técnica de fácil empleo en obra, en zonas de difícil acceso y de rápida ejecución, a partir de la cual se han podido establecer correlaciones cuantificables con otras técnicas semidestructivas como son las tipo pull-off y destructivas como los ensayos a flexión.

1. MATERIALES Y MÉTODOS

Para la ejecución de la investigación completa e implantación del plan de ensayos se elaboraron 100 probetas con dos tipos de concreto, de una resistencia 25 y 40 MPa, 50 de cada tipo. El primero representa a la clase más comunmente empleada en edificación y el segundo, en infraestructuras y estructuras singulares.

Para el desarrollo del proyecto de investigación se confeccionaron 30 probetas armadas (15 con concreto HA25 y 15 con concreto HA40), y 70 sin armar (35 con concreto HM25 y 15 con concreto HM40). Esta diferencia de distribución de probetas se dio por la distribución y el número de todos los tipo de ensayo programados, y se esablació de esta manera como lote mínimo por tipo de ensayo una cantidad de 5, y así resultó la cantidad indicada. Del total de probetas empleadas en el proyecto de investigación, para el estudio de este artículo y aplicar las técnicas de pull-off y ultrasonidos se utilizó un total de 38. Se aplicó, además, refuerzo de FRP al 90 % de las muestras, y el resto quedó para la obtención de los parámetros iniciales de la investigación.

Para las probetas armadas los cálculos se realizaron para la rotura a flexión de la sección en el dominio 2, donde su resistencia a cortante es superior a su resistencia a flexión, y falla por falta de capacidad de su armadura traccionada. La armadura colocada ha consistido en 2 0 8 mm de acero B 400 S colocadas en la parte inferior con recubirmiento inferior y lateral de 2,5 cm y sin armadura transversal.

El refuerzo se realizó con tejido de fibra de carbono tipo "SikaWrap". Este se colocó en toda la longitud de las probetas (60 cm), con el objetivo de que la longitud de anclaje fuese homogénea en todos los casos. Dicho tejido es de fibra de carbono unidireccional cosido y resina epoxi bicomponente comercial tipo "Sikadur-300", diseñada para la aplicación a los refuerzos de tejido de fibra de carbono.

Los ensayos realizados corresponden a dos grupos. El primero en el que se incluyen ensayos dirigidos a la determinación de propiedades intrínsecas (influencia de la superficie y de la estructura porosa del concreto en la adherencia) como los pull-off y ultrasonidos. El segundo determina las propiedades extrínsecas (solicitación mecánica), mediante ensayo mecánico a flexión.

2. PROGRAMA EXPERIMENTAL

Los ensayos para determinar la adherencia entre el concreto y el refuerzo se realizaron sobre una serie de probetas prismáticas de dimensiones 150*150*600 mm, diseñadas dentro de un programa de investigación más amplio, al resultar estas las más versátiles para el conjunto de ensayos programados.

Las condiciones que se han tenido en cuenta para la ejecución de los ensayos y adhesión de las bandas de FRP han sido el tipo concreto y el acabo superficial de las probetas.

En cuanto al tipo de concreto, se estudiaron probetas de 25 y 40 MPa de resistencia. Respecto al acabado superficial, previo a la aplicación de la fibra, se imprimieron tres clases de rugosidades diferentes en la superficie soporte de concreto. Así, la diferencia entre rugosidades, clasificadas como lisa-media-rugosa, se consigue según el procedimiento de preparación del soporte (Tabla 1).

En cada una de las probetas a las que se les colocó las bandas de FRP con resina, se emplearon tres caras para reproducir respectivamente las tres rugosidades. Se realizó un total de 120 ensayos tipo pull-off.

Puesto que durante el proceso de curado fue imprescindible ejercer presión, se diseñó un sistema con anillos metálicos formado por perfiles rectangulares tubulares que presionan el refuerzo y aseguran así una homogeneidad suficiente (Figs. 1-3). Desde los anillos metálicos a través de unos tornillos a los que se les da un par de apriete de 20 N/m, cada perfil presiona una banda de refuerzo sobre la probeta de concreto.

Fuente: elaboración propia.

Fig. 1 Sistema empleado para la colocación del FRP y caras de tratamiento (cotas en cm). 

Fuente: elaboración propia.

Fig. 2 Disposición de los anillos de presión 

Fuente: elaboración propia.

Fig. 3 Perfiles de presión sobre FRP 

A continuación, se muestra un resumen del número de probetas utilizadas y número de ensayos ejecutados (Tabla 2):

2.1. Descripción de los ensayos

El ensayo de flexión se realizó mediante una prensa hidráulica de capacidad 1500 kN, según los criterios de la norma UNE-EN123905-2001 ¹⁸, la cual tiene una precisión de 1 N. Los parámetros de ensayo fueron una velocidad de carga de 500 N/s, un intervalo de carga 140 mm y un intervalo soporte de 45 mm.

El plan de ensayos a flexión del proyecto de investigación se realizó teniendo en cuenta la comparabilidad de los resultados en probetas sin reforzar con fibra de carbono, con el objeto de obtener un valor de referencia; para esto, se ensayaron 24 probetas para cada tipo de concreto, de las cuales, dado que el objetivo fue la adherencia del refuerzo, mayoritariamente se utilizaron de concreto en masa reforzadas distribuidas según se indica en la Tabla 3. Si bien, para el estudio que se expone acá se empleó sólo 25 probetas del total,10 de cada tipo de concreto (HM25 y HM40), y el resto a efectos comparativos, 3 armadas y reforzadas, y 2 sin armar ni reforzar.

Tabla 3 Condiciones y variables en los ensayos de flexión 

Probetas de concreto en masa			Probetas de concreto armado
HM40	HM25	HA40	HA25
1 probeta sin refuerzo FRP	1 probeta sin refuerzo FRP	1 probeta sin refuerzo FRP	1 probeta sin refuerzo FRP
19 probetas reforzadas FRP	19 probetas reforzadas FRP	3 probetas reforzadas FRP	3 probetas reforzadas FRP

Fuente: elaboración propia.

El ensayo pull-off se realizó según la UNE EN 1542:2000 y consiste en la aplicación de una fuerza de tracción normal al plano de ensayo, con el objetivo de obtener la tensión de arrancamiento (MPa).

Se realizaron 120 ensayos sobre refuerzos de fibra de carbono aplicados a 8 probetas sin armar (4 probetas de cada tipo de concreto), en 3 de sus cuatro caras, y 5 ensayos por cara con diferentes tratamientos superficiales A, B, y C (Figs. 4-7). El resultado de ensayo, de cada cara, ha sido el de los 5 ensayos ejecutados en la misma. Los ensayos de ultrasonidos se realizaron según la UNE EN 12504-4:2006 ¹⁹, con el objetivo de estudiar la calidad de la aplicación del material compuesto. La posición de los palpadores se realizó mediante el sistema de transmisión indirecta de la probeta de concreto (Figs. 8 y 9).

Fuente: elaboración propia.

Fig. 4 Corte circular sobre FRP 

Fuente: elaboración propia.

Fig. 5 Corte circular diferentes bandas de FRP 

Fuente: elaboración propia.

Fig. 6 Equipo para ensayo pull-off 

Fuente: elaboración propia.

Fig. 7 Ejecución ensayo Pull-Off sobre la probeta 

Fuente: Tomado de ¹⁹.

Fig. 8 Medición ultrasonidos método indirecto 

Fuente: elaboración propia.

Fig. 9 Medición ultrasonidos método indirecto 

La toma de datos de ultrasonido se realizó sobre cada una de las 3 caras reforzadas de las 8 probetas destinadas a los ensayos de pull-off y sobre cada una de las caras de las 24 probetas destinadas para el ensayo a flexión. Se realizaron 72 medidas antes de la aplicación del refuerzo y otras 72 a posteriori una vez aplicado el refuerzo de FRP. Por lo tanto, como resultado se obtuvieron dos series de datos, una de los valores obtenidos sobre el concreto y otra sobre la fibra de carbono aplicada y endurecida.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1 Resultados de los ensayos tipo pull-off

En la Tabla 4 y en la Fig. 10 se muestran los diferentes resultados obtenidos, en las cuales pueden verse los valores medios de la tensión de arrancamiento en MPa obtenidos en este ensayo, en relación con el tipo de concreto 25 o 40 MPa y al tratamiento superficial A, B o C.

Fuente: elaboración propia.

Fig. 10 Ensayos pull-off 

Consiguiendo la media de los valores obtenidos de la tensión de arrancamiento para cada tipo de concreto y tratamiento superficial, en la Fig. 11 se observa que la rugosidad influye en la tensión de arrancamiento.

Fuente: elaboración propia.

Fig. 11 Tensión de arrancamiento media del ensayo tipo pull-off según tratamiento superficial y tipo de concreto 

En probetas de concreto HM-40, a medida que aumenta la rugosidad de la superficie disminuye la tensión de adherencia. En cuanto al tipo de concreto HM-25, en este no influye la preparación del soporte.

3.2. Resultados ensayos de ultrasonidos

En las Figs. 12 y 13 se muestran los resultados logrados en función del tipo de concreto HM-25 o HM-40 MPa y de la preparación del soporte A, B o C, antes y después de colocar el refuerzo.

Fuente: elaboración propia.

Fig.12. Resultados de ensayos de ultrasonidos antes y después de colocar el refuerzo 

Fuente: elaboración propia.

Fig. 13 Resultados de ensayos de ultrasonidos antes y después de colocar el refuerzo 

En la Fig. 14 se observa una disminución de la velocidad de propagación para el tipo de concreto HM-40 con el aumento de la rugosidad; la velocidad para la rugosidad tipo A es de 2,710 m/s, mientras que para la rugosidad tipo C es de 2,617 m/s, esto es una disminución del 3,4%. Sin embargo, para el tipo de concreto HM-25, aunque también existe una disminución de la velocidad de propagación de la rugosidad tipo A hacia la rugosidad tipo B, se produce una mejora de la velocidad en la rugosidad tipo C. Este comportamiento para las probetas de concreto HM-25 puede ser debido a la mayor porosidad que tiene un concreto de menor resistencia.

Fuente: elaboración propia.

Fig. 14 Resultados medios ultrasonidos según tratamiento superficial y tipo de concreto 

3.3. Resultados ensayos de flexión

Se analizaron probetas de concreto en masa y probetas armadas según cuantías previstas, con y sin refuerzo de FRP. En la Fig. 15 se presenta el valor de resistencia a flexión en MPa del ensayo de flexión para los tipos de probeta ensayadas en función del tipo de concreto y refuerzo con FRP.

Fuente: elaboración propia.

Fig. 15 Resultados de ensayos a flexión realizados 

Para el tipo de concreto HM-40, el mayor valor de resistencia a flexión se obtiene para la preparación de la superficie media (tipo B) 8,69 MPa, pero no existe una gran variación de la resistencia a flexión entre las tres preparaciones superficiales, que muestran valores respectivos para A, B y C de 8,41 MPa, 8,69 MPa y 8,13 MPa.

Por lo que respecta al concreto tipo HM-25, existe claramente un valor de mejora considerable de la resistencia a flexión para la preparación de la superficie tipo C (Fig. 16), de 7,69 MPa en la tipo A, a 8,64 MPa en la tipo C.

Fuente: elaboración propia.

Fig.16. Resultados de rotura a flexión según tratamiento superficial y tipo de concreto 

Una vez analizados los resultados obtenidos de cada uno de los ensayos con respecto al tipo de concreto y las distintas preparaciones de la superficie para la adhesión de las bandas de FRP, y teniendo en cuenta el objetivo de establecer un método de control de calidad del refuerzo fiable y no destructivo, se han analizado posibles combinaciones de técnicas de ensayo, y se ha establecido de esta manera una relación entre los resultados alcanzados en los ensayos de ultrasonidos y los ensayos tipo pull-off.

En el diseño del plan de control de calidad sobre refuerzos de FRP en obra, es preciso considerar ensayos que sean de fácil ejecución, ya que los elementos reforzados pueden tener un acceso dificultoso.

De los ensayos realizados en la investigación, el de ultrasonidos es el método más adecuado, porque al tratarse de un ensayo no destructivo puede ser empleado en mayor extensión. Si con este ensayo podemos establecer parámetros de calidad de la adhesión del refuerzo de FRP y, por ende, del aumento de la capacidad mecánica del refuerzo, se podrá definir un método de control de calidad rápido, no destructivo y válido para evaluar la calidad del refuerzo ejecutado.

A continuación, se muestra la relación entre la velocidad en el ensayo de ultrasonidos y la tensión de arrancamiento que provoca la rotura en los ensayos tipo pull-off, como ensayos de control de calidad in situ.

3.3.1. Correlación entre los ultrasonidos y el ensayo de pull-off

Previo a la ejecución de la posible correlación entre ensayos, se ha procedido a realizar un análisis estadístico de los resultados de la tensión de arrancamiento de los ensayos de pull-off al objeto de la validación de estos. Los resultados obtenidos se recogen en la Fig. 17.

Fuente: elaboración propia.

Fig. 17 Distribución de desviaciones de ensayos de pull-off 

Desechando los valores erróneos del ensayo de pull-off, se efectúa un análisis entre los resultados obtenidos en los dos ensayos, sin distinción por tipo de concreto, y se observa que existe una correlación entre estos, con un coeficiente de confianza aceptable. En la Fig. 18 se presentan los valores conseguidos con dos tipos de regresiones (lineal y polinómica).

Fuente: elaboración propia.

Fig.18. Resultados generales de pull-off y ultrasonidos 

Asimismo, en la Fig. 19 se recoge la correlación y las regresiones de sendos ensayos, y se distinguen por tipo de concreto.

Fuente: elaboración propia.

Fig. 19 Resultados de pull-off y ultrasonidos por tipo de hormigón 

Ante la mayor facilidad, y aun presentando menor coeficiente de confianza, en este trabajo se propone una relación lineal entre velocidad de ultrasonidos y resistencia a la tracción de adherencia del FRP, como método de ensayo de control no destructivo para valorar la calidad del refuerzo. Según los resultados alcanzados, se presentan las siguientes ecuaciones, para el caso de regresión lineal.

Concreto HM40: γ = 0,0172x 43,147 (1)

Concreto HM25: γ = 0,0048x 9,8797 (2)

Ambos tipo de Concreto: γ = 0,0053x 11,37 (3)

3.3.2. Correlación entre resistencia a flexión y el ensayo de pull-off

En este estudio se analizan también los resultados de los ensayos de flexión frente a los resultados de pull-off, con el objetivo de validar la correlación anterior. En la Fig. 20 se constata la correlación entre la resistencia a flexión de las probetas y los resultados de los ensayos de Pull-off; como se puede observar, existe una correlación entre los resultados de los dos ensayos para las probetas ensayadas. Sin embargo, no se recomienda tomar esta correlación como un método válido para cuantificar numéricamente la mejora del comportamiento a flexión de elemento reforzado mediante los ensayos de pull-off, pero sí para demostrar la validez de estos ensayos como sistema de control de calidad.

Fuente: elaboración propia.

Fig. 20 Resultados de rotura a flexión según tipo de Concreto y pull-off 

4. CONCLUSIONES

El control de calidad de las obras de refuerzo de estructuras de concreto armado con materiales compuestos FRP debe incluir ensayos para evaluar la ejecución, como los pull-off y ultrasonidos.

Mediante ensayos pull-off es posible determinar la preparación del soporte más óptima en función del tipo de concreto y validar la calidad del refuerzo. En la investigación efectuada se ha comprobado que en el concreto de mayor resistencia la preparación del soporte no incide en la mejora de la adherencia de las bandas de refuerzo. Mediante la ejecución de ensayos de ultrasonidos es posible verificar la preparación del soporte o rugosidad de la superficie, sobre todo en concretos de alta resistencia.

De igual forma, los ensayos de ultrasonidos se pueden emplear para verificar la adecuada preparación del soporte o rugosidad de la superficie, sobre todo en concretos de alta resistencia. En la investigación realizada se demuestra que existe una correlación entre la velocidad de propagación de ultrasonidos y la tensión de arrancamiento en los ensayos pull-off, y a su vez este último se correlaciona con el comportamiento a flexión de refuerzo. Por tanto, mediante el empleo de un ensayo no destructivo, como son los ultrasonidos, es posible valorar el comportamiento del refuerzo.

La valoración cualitativa con un estudio extensivo mediante ultrasonidos, en gran parte de la superficie de los elementos reforzados y complementada con una serie de ensayo de pull-off seleccionados en función de los ultrasonidos, permitiría cuantificar el comportamiento del refuerzo. Si bien, no se considera adecuado establecer correlaciones generales según el tipo de concreto, es recomendable realizar dicha correlación en cada refuerzo por verificar. Este aspecto vale la pena considerarlo en nuevas investigaciones, para incorporar así otro tipo de ensayos de posible ejecución in situ en las obras.

Por tanto, y como conclusión final, es posible efectuar un control de calidad del refuerzo de estructuras de concreto armado mediante FRP con ensayos no destructivos como ultrasonidos y pull-off, y al mismo tiempo se recomienda su inclusión en los protocolos de inspección. Así pues, como ha quedado demostrado, la variación transmisión de la onda ultrasónica a través del refuerzo puede estar relacionada con la diferente adherencia de este, valorada a través de los ensayos de pull-off.