Caracterización de materiales cementicios mediante la dispersión ultrasónica

Abstract

Para determinar la durabilidad o vida útil de las construcciones de hormigón es necesario conocer la calidad y el estado de deterioro de los materiales cementicios. A nivel práctico, la caracterización más utilizada es la extracción de probetas o testigos y su análisis posterior en laboratorio. Sin embargo, la utilización de técnicas de evaluación no destructiva (END) presenta grandes ventajas sobre las técnicas habituales como poder conocer el estado de toda la estructura y permitir la monitorización en continuo de la misma.

Entre los métodos de END, los ultrasonidos han demostrado su versatilidad para la caracterización de estos materiales tanto a nivel práctico como de investigación. El presente trabajo busca ahondar en el conocimiento de la interacción que se produce entre las señales ultrasónicas que se propagan a través de este tipo de materiales y su microestructura para poder determinar tanto la calidad como su estado.

Para ello se aborda el efecto de la dispersión de las ondas ultrasónicas cuando se transmiten a través de los materiales cementicios, para establecer métodos y técnicas que permitan la caracterización de sus parámetros microestructurales tales como: la matriz cementicia, el tamaño y concentración tanto de los agregados y aire ocluido, entre otros.

Para analizar como afecta la dispersión a las ondas ultrasónicas se ha desarrollado la extensión a N-fases del modelo dinámico autoconsistente. Este modelo, a diferencia de los hasta ahora utilizados, es capaz de predecir la dependencia de la velocidad y atenuación con la frecuencia de cualquier material multi-fásico con altas concentraciones de agregados. Asimismo, se han determinado las técnicas más adecuadas de inspección y de procesado digital de las señales ultrasónicas para medir de manera precisa la velocidad y atenuación en función de la frecuencia. Esta metodología se ha utilizado tanto para validar experimentalmente el modelo, como para caracterizar la microestructura de materiales cementicios a partir de las señales ultrasónicas.

La validación experimental del modelo se ha realizado mediante la utilización de probetas de mortero de cemento. Para ello, se han comparado los resultados obtenidos mediante un estudio teórico y otro experimental de la influencia de los parámetros microestructurales más significativos sobre perfiles de velocidad y atenuación obtenidos por el modelo y medidos en probetas de mortero con diferente relación agregado/cemento y relación agua/cemento.

Finalmente, se exponen la eficacia y limitaciones del modelo, así como también las técnicas desarrolladas para la caracterización de la microestructura de los materiales cementicios.\\

The durability or lifetime of concrete buildings is related to the quality and the processes leading to the deterioration of cementitious materials. The most commonly used characterization techniques use cored samples that are analyzed in the laboratory. However, the application of non-destructive testing techniques (NDT) has significant advantages in comparison with other techniques. For instance, it is possible with the NDT approach to know the status of the entire structure and to perform continuous monitoring.

Among NDT methods, ultrasonic techniques are successful in the characterization of cementitious materials. This work aims at providing further insight on the interaction between ultrasonic signals and the microstructure of such materials. Such interaction serves to determine the quality and status of concrete samples.

Toward this end, ultrasonic scattering is addressed as ultrasonic waves travelling through heterogeneous materials. Several methods and techniques allow the characterization of the microstructural parameters of heterogeneous materials such as: cement matrix, particle size and volume fraction of both aggregates and air voids, among others.

To analyze how scattering influences ultrasonic waves, an extension to N-phase of the dynamic self-consistent model has been formulated. Unlike the models commonly used, this model can predict the frequency dependence of both ultrasonic velocity and attenuation in any multiphase material with high concentrations of aggregates. This model was put in practice, and the most suitable techniques for inspection and digital signal processing were determined. The developed methodology was used for experimentally validating the model for characterizing the microstructure of cementitious materials from ultrasonic measurements.

The model was tested experimentally using mortar cement samples with different aggregate/cement ratio and water/cement ratio.Theoretical results were compared with experimental data. Thus, microstructural parameter values were related to the velocity and attenuation profiles.

Finally, the efficiency and the limitations of the theoretical model and the experimental techniques for the characterization of the microstructure of cementitious materials are discussed.