Ensayo mediante esclerómetro

El esclerómetro es el ensayo no destructivo más usado y, probablemente, el más abusado sobre las estructuras de hormigón debido a su sencillez y bajo coste.

El ensayo puede realizarse en probetas moldeadas, como en una planta de prefabricado o en obras in situ, y en evaluaciones estructurales sobre elementos existentes, tanto en probetas testigo como directamente sobre los elementos.

El martillo de resorte fue desarrollado y patentado por Ernst Schmidt en 1948, por lo cual lleva su nombre, Schmidt Hammer. Los esclerómetros actuales no son muy diferentes de los originales, constando generalmente de los siguientes elementos:

Figure 1. Partes de un esclerómetro [7]

El elemento básico es una masa metálica que, impulsada con una energía de percusión de 0,225 m·kp, choca contra el hormigón. La cantidad de energía recuperada en el rebote de la masa, permite obtener un índice de dureza de la superficie sobre una escala graduada. La energía la proporciona a la masa mediante un muelle que hace que, dicha masa, golpee contra un vástago metálico apoyado sobre el hormigón.

Figure 2. Procedimiento del ensayo mediante esclerómetro [6]

Lo que se está midiendo es la energía de deformación plástica perdida en la pequeña superficie de impacto del martillo y el rebote significa:

Planteando el balance energético de una masa impactando en horizontal:

Figure 3. Planteamiento del impacto en posición horizontal [6]

Despreciando la energía perdida en la fricción o calculándola para el dispositivo concreto e integrándola, como suelen hacer los fabricantes, se puede calcular el rebote en función de los desplazamientos:

Si se plantea el mismo problema físico en vertical debe incorporarse la energía potencial:

Figure 4. Planteamiento del impacto en posición vertical [6]

En este caso, el rebote no se obtiene directamente con la diferencia de desplazamientos sino que debe tener en cuenta un factor corrector en función del ángulo del ensayo para considerar la energía potencial:

Si en lugar de medir los desplazamientos se miden las velocidades se puede realizar el balance energético en base a la energía cinética no influyendo el ángulo de realización del ensayo pero son dispositivos más sofisticados.

Importante destacar que para controlar el correcto funcionamiento del esclerómetro se emplea un yunque de tarado, de aproximadamente 16 kg de peso de acero duro (dureza Brinell HB500 o Rockwell HR52C), sobre el cual  se considera habitual (según modelo) valores comprendidos entre 78-82.

Una vez conocido el fundamento físico es fundamental acotar su uso ya que es muy común el erróneo empleo de este ensayo para la determinación directa de la resistencia del hormigón, lo cual resulta muy atractivo e interesante para todos los intervinientes en obra ya que es rápido y barato. Para hacernos una idea, si a veces ya es difícil de creer que la resistencia obtenida de una probeta de hormigón a compresión simple representa la resistencia desarrollada por el hormigón frente a diversos esfuerzos cuando el hormigón no es ni homogéneo ni isótropo, extrapolar dicha resistencia de la dureza superficial obtenida en un punto es cuanto menos inverosímil.

Lo anterior viene explícitamente recogido en la normativa, como en el Art.86.8 de la EHE-08 [1] y en el Art. 57.8 del Código Estructural [2],  ambos relativos a ensayos de información complementaria del hormigón se indica que el empleo de métodos no destructivos fiables (índice de rebote según UNE-EN 12504-2 y velocidad de propagación según UNE-EN 12504-4) se emplearán como complemento de la rotura de probetas y debidamente correlacionados. Por otra parte, la propia UNE-EN 12504-2 [3] establece que el ensayo no está pensado como una alternativa a la determinación de la resistencia a compresión del hormigón, pero con una adecuada correlación puede proporcionar una estimación de la resistencia a compresión in situ.

Entrando en el procedimiento del ensayo, la aplicación práctica consta de las siguientes fases [3]:

1)      Mantenimiento y calibración del esclerómetro mediante yunque de tarado.

2)      Reconocimiento mediante detector de armaduras (comúnmente conocido como pachómetro) para localización de las armaduras.

3)      Preparación de la superficie, eliminando revestimientos, piedras superficiales abrasivas, humedades e incrustaciones. Los dispositivos comerciales suelen incorporar una piedra de pulido.

4)      Establecer una cuadrícula mínima de 10x10 cm sobre la que se realizan un número mínimo de 9 disparos. Debe existir una separación mínima a bordes y entre disparos de 25 mm. No aplicar sucesivas veces en un mismo punto.

5)      Si más del 20% de los datos difieren en más de un 30% de la mediana, la zona se considerará no válida. La anterior normativa establecía como criterio de validez una distancia máxima a la mediana de 6 unidades.

Figure 5. Ejemplo de procedimiento de ensayo

Una vez obtenido el índice de rebote válido de la muestra, los fabricantes suelen proporcionar una serie de gráficas que correlacionan el índice de rebote con la resistencia a compresión simple.

Figure 6. Gráfica de correlación del índice de rebote con la resistencia a compresión en probeta cilíndrica

De estas gráficas es importante destacar 3 particularidades:

-   Debe escogerse la curva en función del ángulo de inclinación, la cual integra la corrección de la energía potencial para ángulos diferentes a 0º, tal y como se ha visto inicialmente.

-   Debe tenerse claro para qué tipo de probeta normalizada (cilíndrica o cúbica) se realiza la correlación.

-   Es igual de importante, o más, el valor de resistencia como el valor de la dispersión del resultado.

Como ya se ha comentado, este método no permite una determinación definitiva de la resistencia del hormigón ya que, en líneas generales, puede suponer una variabilidad según diversos autores de +-25% si no se ha realizado una calibración directa y +-10% si se ha realizado, aunque, en nuestra experiencia, esta variabilidad puede ser muy superior.

Esta variabilidad viene debida a múltiples factores, los cuales se encuentran ampliamente recogidos en [4] y que a modo resumen son:

-   Tipo y dosificación de cemento: finura del molido (+-10%), tipo de cemento (de aluminato de calcio, sobresulfatados, con adiciones, etc), contenido de cemento (+-15%; altos contenidos de cemento tienden a minimizar los valores reales de resistencia).

-   Tipo y dosificación del árido grueso: es obligatorio realizar calibraciones específicas para los diferentes tipos de áridos (silíceo rodado, calizo machacado, áridos ligeros, etc) ya que pueden implicar variaciones de 5-6 MPa.

-   Masa efectiva del hormigón endurecido: el elemento ensayado debe poseer una dimensión mínima de 100 mm en la dirección del impacto.

-   Grado de compactación: el ensayo no es capaz de detectar variaciones de grados de compactación dada su zona de influencia aunque si puede afectar a la correlación con las probetas testigo.

-   Textura superficial: las medidas sólo deben realizarse sobre texturas “cerradas”. No es aconsejable realizar sobre superficies húmedas y rugosas, sucias y con lechada, hormigones muy antiguos, sometidos a bajas temperaturas, etc.

-   Tamaño y forma del elemento ensayado: sobre superficies curvas dan resultados inferiores del IE (2-4).

-   Humedad superficial e interna: con superficies húmedas se obtienen IE un 20% inferior. La superficie interna afecta a la resistencia a compresión de la probeta en valores del orden del 10% inferior.

-   Edad y condiciones de curado y endurecimiento: la influencia del tiempo puede considerarse como de escasa importancia hasta una edad de 3 meses. No es recomendable el método en hormigones con edad inferior a 7-14 días. Como norma general no debe aplicarse hasta que el hormigón no alcance una resistencia de 7 MPa.

-   Carbonatación superficial: se traduce en aumentar la dureza superficial, pudiendo sobrestimar la resistencia del hormigón en valores superiores al 50%. Dicho efecto es fácilmente cuantificable eliminando la capa carbonatada y estableciendo una correlación exterior-interior.

-   Estado tensional: los estados tensionales elevados provocan un aumento de la dureza superficial, aunque su efecto es más limitado que el resto de variables expuestas.

-   Temperatura del hormigón y el aparato: la Tª del aparato debe encontrarse entre +10/+30ºC y la Tª ambiente superior a 0ºC, destacando que hormigones con Tª iguales o inferiores a 0ª proporcionan IE más elevados.

-   Tipo de tarado y periodicidad: cada instrumento deberá ser sometido de forma periódica a una verificación de contraste en dicho yunque. Si el IE obtenido en yunque de tarado se aparta gradualmente de 80, los manuales proporcionan correcciones.

-   Número de lecturas individuales: se fija un mínimo de nueve lecturas individuales para establecer el promedio de las lecturas.

-   Distancia entre puntos de medida: las distancias mínimas entre puntos o a discontinuidades debe ser de entre 20-50 mm. Tampoco deben aplicarse impactos individuales sucesivos en un mismo punto ya que se precompactaría.

-   Posición del aparato respecto a la horizontal: se deben aplicar correcciones debido a la influencia de la gravedad en la masa metálica que impacta.

-   Posición de la zona ensayada: la correlación debe realizarse para una dosificación, edad, madurez, humedad determinada. Deben evitarse las zonas superiores e inferiores de los elementos debido a las diferentes composiciones del hormigón.

De todos los anteriores, en nuestra experiencia, los factores más determinantes a nivel práctico son:

-   La humedad del hormigón influye de una forma muy importante en el resultado, lo cual es importante tener en cuenta en ensayos sobre estructuras existentes como obras portuarias, piscinas, depósitos y otros elementos en ambientes con elevada humedad.

-   En correlaciones sobre probetas el tipo de curado tiene una influencia muy relevante, obteniendo mejores resultados en probetas sumergidas.

-   El tipo de cemento y su dosificación son fundamentales para establecer leyes de correlación.

-   Los diferentes elementos estructurales, como pueden ser vigas y pilares, presentan una variación importante en función de la zona del ensayo, especialmente por el grado de compacidad durante el hormigonado.

-   La carbonatación genera un incremento elevadísimo del índice de rebote muy difícilmente cuantificable ya que retirar el espesor carbonatado y preparar su superficie para ensayar es realmente complejo. Algunas guías hacen referencia a la norma china JGJ/T 23-2001 que propone reducciones de hasta el 40% con una profundidad carbonatada de 6 mm.

Figure 7. Gráfica de reducción de valores de rebote debido a carbonatación según [7]

-   Pocos valores de probetas testigo en estructuras existentes, lo cual suele ser habitual, hacen muy difícil establecer una correlación útil y fiable.

A modo resumen y como conclusión:

-   El ensayo esclerométrico es un ensayo muy fácil y rápido que, empleado por un técnico cualificado y con experiencia, tanto en aplicación como interpretación, puede proporcionar una información muy útil.

-   No es un método fiable para estimar directamente la resistencia del hormigón.

-   Se pueden obtener buenas correlaciones si se disponen de un número lo suficientemente grande de probetas, de lo contrario la correlación no resultará ni útil ni fiable.

-   Es un excelente método para zonificar la calidad del hormigón a nivel cualitativo, lo cual genera una información importante referente a la homogeneidad del hormigón.

References

[1] Instrucción de Hormigón Estructural. EHE-08

[2] Código Estructural Estructural. CE-21

[3] UNE-EN 12504-2:2022 Ensayos de hormigón en estructuras. Parte 2: Ensayos no destructivos. Determinación del índice de rebote.

[4] Evaluación de la capacidad resistente de estructuras de hormigón. Ensayos no destructivos y pruebas de carga. INTEMAC. 2001.

[5] Evaluación de estructuras de hormigón armado. Monografía 33. GT IV/1 Comisión 4. ACHE. 2019.

[6] Coloquio: Mitos y verdades sobre el uso del esclerómetro. Organizado por la asociación latinoamericana de control de calidad, patología y recuperación de la construcción. 2020. (https://www.youtube.com/watch?v=x_eAAyONwmU)

[7] Manual de operación de martillo para ensayos de hormigón de Proceq.