1. INTRODUCCIÓN

El método de madurez proporciona un medio simple y útil de estimar la ganancia de resistencia del hormigón a edades tempranas (generalmente menores de 14 días).

Se debe mencionar que es necesario tener la curva de madurez de la dosificación a utilizar, por cuanto la curva es propia del conjunto de materiales utilizados.

Este método reconoce el efecto combinado del tiempo y la temperatura, proporcionando una base para estimar el desarrollo de resistencia del hormigón “in situ” mediante el control de la temperatura y el tiempo (^{Peter C. Taylor, Steven H. Kosmatka, Gerald F. Voigt, et al, 2007}).

Los efectos del tiempo y la temperatura en el aumento de la resistencia del hormigón se cuantifican mediante una función de madurez, que es indicativa del nivel de resistencia desarrollado por el hormigón. Las dos funciones de madurez utilizadas para este propósito son la de Nurse-Saul y la de Arrhenius (^{ACI 325.11R-01, 2001}).

La función de Nurse-Saul, desarrollada en la década del ‘50 y la más ampliamente aceptada para medir la madurez, es el producto acumulado de tiempo y temperatura, ecuación 1.

donde:

La temperatura de referencia es la temperatura en que cesa la ganancia de resistencia del hormigón; por lo tanto, los períodos durante los cuales las temperaturas están en o por debajo de esta temperatura de referencia, no contribuyen al aumento de la resistencia. Generalmente, se utiliza un valor de -10 °C para la temperatura de referencia en la ecuación de Nurse-Saul (^{ACI 325.11R-01, 2001}).

La madurez también puede ser determinada mediante el método de Arrhenius, que considera la no linealidad en la tasa de hidratación del cemento. El método de Arrhenius produce un índice de madurez en términos de una "edad equivalente", que representa el tiempo de curado equivalente, a una temperatura de referencia, generalmente 20°C, requerida para producir una madurez igual a la alcanzada durante un periodo de curado a temperaturas diferentes a la temperatura de referencia, ecuación 2.

donde:

La ecuación de Arrhenius es una mejor representación de la función temperatura-tiempo que la ecuación de Nurse-Saul, cuando se espera una amplia variación en la temperatura del hormigón. Además, el enfoque de Nurse-Saul es limitado en función de asumir que la tasa de ganancia de resistencia es una función lineal. Sin embargo, la fórmula de Nurse-Saul es más ampliamente utilizada, principalmente debido a su simplicidad. Ambas funciones de madurez se consideran en la Norma ASTM C 1074 (Barreda M. F., Naber M. J., Quispe Sallo I., Sota J. D., 2003).

Debido a que la madurez es dependiente sólo de la historia del tiempo y la temperatura del hormigón, los requisitos más básicos de equipo para determinar la madurez son un termómetro y un reloj. Sin embargo, con los años, se han desarrollado varios dispositivos de madurez que monitorean y registran automáticamente las temperaturas del hormigón en función del tiempo. Estos dispositivos se conectan a termocuplas embebidas en el hormigón y pueden computar la madurez por la ecuación de Nurse-Saul y la ecuación de Arrhenius, a intervalos definidos (^{ASTM C 1074, 1998}).

En el caso del presente trabajo se ha desarrollado un prototipo de equipo de medición conjuntamente con un software, con el fin de realizar las experiencias (^{Sota J. D., Avid F.A., Chury M., Moreira P., 2014}).

2. METODOLOGÍA

Se desarrolló un equipamiento de medición y se complementó con el software que permitió manejar los datos obtenidos. El diseño del sistema incluye una serie de sensores de temperatura conectados a una minicomputadora (Figura 1), registrando además la temperatura sobre la superficie del hormigón. (Figura 2). La misma lee de los sensores (Figura 3), las temperaturas a intervalos prefijados y los registra. Un programa realiza una lectura permanente de la información generada que luego almacena en una base de datos, permitiendo su procesamiento empleando las expresiones de Nurse-Saul para cálculo de madurez y/o de Arrhenius.

Figura 1 Microcomputadora(RasberryPi B+) 

Figura 2 Termómetros digitales 

Figura 3 Sensores 

Se estudiaron los hormigones de bases de una estructura de ampliación de los laboratorios de la Facultad, monitoreando el desarrollo de la resistencia con la medida de la madurez de los hormigones, con sensores colocados en las mismas. Figura 4. Las bases para colocar los sensores se eligieron en función de su ubicación en la estructura y de las etapas de colocación del hormigón durante el día. Lo que permitió tener valores registrados en hormigones colocados durante la mañana (Base 7) al promediar la hormigonada (Base 3) y al final de la misma (Base 10)

Figura 4 Colocación de sensores 

La dosificación se compuso de un cemento portland CPC-40, cemento portland compuesto (hasta tres adiciones) resistencia de mortero de 40 MPa (Norma IRAM 50000); arena silícea gruesa de una cantera de la zona; canto rodado silíceo tamaños 1:3 y 1:2 y un aditivo superfluidificante. Las características de los agregados se informan en la Tabla 1.

Tabla 1 Características de los agregados 

Las proporciones de los materiales integrantes de la dosificación se resumen en la Tabla 2.

Tabla 2 Dosificación del hormigón utilizado en las experiencias 

Se confeccionaron probetas cilíndricas de 15x30 para determinar la resistencia a las diferentes edades estudiadas, simultáneamente con la colocación del hormigón. Por lo que las resistencias de las probetas se correspondían con el hormigón colocado en la base en donde se colocaban los sensores.

Las mediciones de temperatura se efectuaron sobre las bases 3, 7 y 10 de la estructura.

Los ensayos de resistencia se realizaron con una prensa automática digital PILOT 4 (Controls de Italia) de 200 tn de capacidad; con visualización gráfica en tiempo real de los datos del ensayo, la curva de carga/tiempo y la velocidad de carga real, así como visualización simultánea de la carga, tensión y velocidad de carga real en función de las cargas o de las tensiones.

Las probetas ensayadas se mantuvieron en el ambiente de las bases en las que se realizaban las mediciones durante la experiencia, en las mismas condiciones de humedad y temperatura (25,5-27,5 °C y 75 % de HR).

3. RESULTADOS

Obtenidos los datos de resistencia en los ensayos de compresión de las probetas y los de temperatura con el equipo diseñado para estas experiencias (colocado en las bases 3, 7 y 10), se procedió a correlacionar estos a los tiempos parciales utilizados. (Datos del madurómetro y resistencia a la misma edad).

Se utilizó la formula de Nurse-Saul - Madurez (ºC.h) para las variables, tiempo, temperatura y resistencia. La Figura 5 muestra la relación tiempo vs. madurez para la base 10 (como ejemplo) y las Figuras 6, 7 y 8 la relación resistencia vs. madurez para las bases 3, 7 y 10.

Figura 5 Tiempo vs madurez Base 10 

Figura 6 Resistencia vs madurez Base 3 

Figura 7 Resistencia vs madurez Base 10 

Figura 8 Resistencia vs madurez Base 7  

Se observan en los mismos una buena correlación entre los valores determinados de madurez y los correspondientes a las resistencias. Los gráficos expresan los valores reales de resistencia de cada base determinados con el ensayo de probetas. Tabla 3.

Tabla 3 Resistencias determinadas de las bases con probetas de hormigón a distintas edades 

Los sensores corroboran que el hormigón entregado a la obra cumplía con el valor de resistencia requerido por el pliego (H21). Los valores a 28 días de resistencia así lo confirman.

4. CONSIDERACIONES FINALES

En función de los resultados obtenidos en esta primera experiencia se pueden hacer las siguientes consideraciones:

El uso de esta metodología permite controlar la totalidad del hormigón recibido, sin necesidad de tomar una cantidad importante de probetas para su posterior ensayo.

La lectura de los sensores permite establecer la homogeneidad del hormigón y monitorear el desarrollo de la resistencia día a día.

La metodologia será aplicada en nuestra próxima experiencia al monitoreo de la resistencia en una estructura completa de hormigón (losas, vigas y columnas).