Análisis experimental de hormigones expuestos al fuego evaluación de variables hidro-térmicas






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Análisis experimental de hormigones expuestos al fuego. evaluación de variables hidro-térmicas

TECNOLOGIA DE LA CONSTRUCCION

Rev. 1 del 30/dic/2011

JA Capote-Abreu, MD Albear-Portilla, J Crespo-Alvarez

Tecnología del hormigón




ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE HORMIGONES EXPUESTOS AL FUEGO. EVALUACIÓN DE VARIABLES HIDRO-TÉRMICAS


Jorge Arturo Capote-Abreu* Dr. Ingeniero de Caminos Canales y Puertos

Manuel Daniel Alvear-Portilla* Dr. Ingeniero Industrial

Jorge Crespo-Álvarez* Ingeniero Civil
*Universidad de Cantabria. GIDAI. Dpto Transportes y Tecnología de Proyectos y Procesos. Avda. Los Castros, s/n – 39005 Santander. Tfno: +34 942 201826. jorge.crespo@unican.es

Recibido: 17/12/2010 -- Aceptado: 05/07/2011 – DOI: http://dx.doi.org/10.6036/4041


EXPERIMENTAL ANALYSIS OF CONCRETE EXPOSED TO FIRE. ASSESSMENT OF HYDRO-THERMAL VARIABLES


ABSTRACT:

Conventional thermogravimetric analysis requires small sample volumes to perform the experiments and, in the case of concrete, it is very difficult to take into account the effects of aggregates and moisture migration during tests. In the present work, an experimental methodology inspired in thermogravimetric methods was developed. The methodology proposed permits to assess the behaviour of small concrete samples exposed to a fast unidirectional heating, taking into account the effects of aggregates and moisture.
For validation purposes, three types of normal strength concretes under two different heat exposures have been analyzed. Cylindrical concrete samples of 150 x 300 mm were cast. After curing cylindrical cores of 95 millimetres in diameter were extracted and shaped to 48 ± 2 mm in height. The samples were exposed to a two different heat fluxes (35kW/m2 and 75kW/m2) for 30 or 60 minutes. Mass loss rate and temperatures were measured every 1 second. Additionally, the heat transfer process was also monitored using infrared thermography.
Experimental results shows that the methodology proposed is suitable to evaluate different hydro-thermal processes that take place in concrete exposed to fire as the free water release, decomposition of calcium silicate hydrated and the decomposition of Porlandite. Initial moisture content of concrete plays a direct influence en mass loss rate at high exposure condition. No significant differences were observed at the lower heat flux. At the same exposure conditions, samples with lower moisture content shows lower mass loss rate.
Key Words: concrete, experimental methodology, materials characterization, fire, physic-chemical transformation

RESUMEN:

El presente estudio presenta una metodología experimental inspirada en métodos termogravimétricos, la cual permite evaluar el comportamiento de muestras de hormigón expuestas a un flujo de calor unidireccional, considerando el efecto de los áridos y la humedad. Por el contrario, los análisis termogravimétricos convencionales requieren volúmenes muy pequeños del material para la realización de los ensayos: lo cual, en el caso del hormigón, imposibilita tener en cuenta el efecto de los áridos y la migración de la humedad en su interior.
A efectos de calibración y validación de la metodología propuesta se analizaron tres tipos de hormigones. Fueron confeccionadas probetas cilíndricas de 150 x 300 mm, de las cuales se extrajeron núcleos cilíndricos de 95 mm de diámetro. Estos núcleos fueron posteriormente cortados para formar probetas de 48 ± 2 mm de altura. Las muestras fueron expuestas a niveles de radiación térmica de 35kW/m2 y 75kW/m2 durante intervalos de 30 y 60 minutos, realizándose un muestreo de la pérdida de masa y las temperaturas en diferentes puntos de la probeta. Adicionalmente se monitorizó el proceso de transferencia térmica mediante termografía infrarroja.
Mediante el método propuesto fue posible determinar diferentes procesos hidro-térmicos en el hormigón como la expulsión del agua libre, la descomposición del silicato de calcio hidratado y la descomposición de la Portlandita. Los resultados mostraron que el contenido de humedad inicial ejerce una influencia directa en la velocidad de pérdida de masa de las muestras sometidas a elevados valores de flujo de calor. A valores de flujo de calor bajos, la influencia es prácticamente nula, mientras que, en las mismas condiciones de ataque térmico, las muestras con menor contenido de humedad presentaron menor velocidad de pérdida de masa.
Palabras Clave: hormigón, metodología experimental, caracterización de materiales, incendio, transformaciones físico-químicas


1.- INTRODUCCION
Incendios relevantes en túneles y estructuras, tales como los ocurridos en el túnel del Canal de la Mancha en 1996 (Francia-Inglaterra), el túnel de Tauern 1999 (Austria), el túnel de Mont Blanc 1999(Francia), el Edificio Windsor en 2005 (España), etc., han mostrado que las condiciones de exposición térmica de incendios confinados con una elevada carga de combustible y un incremento rápido de las temperaturas, pueden provocar afectaciones muy severas a las estructuras de hormigón, manifestándose diversos fenómenos como el desconchamiento explosivo (spalling): eso provoca una disminución súbita de la sección resistente, comprometiendo la integridad de la estructura y su capacidad para soportar las cargas actuantes.
Por otra parte, resulta cada vez más frecuente el empleo de nuevos tipos de hormigones (alta resistencia, autocompactantes, ultra alta resistencia, etc.) en la construcción. Estos hormigones, dada su baja permeabilidad y su elevada resistencia, son mucho más susceptibles a sufrir los efectos de un incendio que los hormigones convencionales, manifestándose una disminución mucho más aguzada de sus propiedades mecánicas con el incremento de las temperaturas y una mayor propensión a la ocurrencia de explosiones. En ese sentido, minimizar la ocurrencia de spalling constituye uno de los factores principales a tener en consideración durante la evaluación de la respuesta estructural de elementos de hormigón armado en caso de incendio.
En la actualidad, la naturaleza de la ocurrencia de explosiones en el hormigón, producto del ataque térmico, continúa siendo objeto de análisis en la comunidad científica, aunque existe un consenso más o menos generalizado que durante el calentamiento del hormigón ocurre simultáneamente un incremento de la presión de poros y un deterioro del material producto de los esfuerzos térmicos [1-3], atribuyéndose el carácter explosivo del fenómeno a la presión de poros.
Cuando el hormigón es sometido a elevadas temperaturas, este experimenta una serie de reacciones físico-químicas que afectan tanto a su microestructura como al contenido de humedad. Estos procesos termo-hídricos se refieren a una cinética particular que tiene lugar en el interior del elemento de hormigón cuando este se calienta [4-6].
Por una parte, la difusión de la temperatura a través del hormigón calienta el agua en el interior de los poros, causando su evaporación y el aumento, por consecuencia, de la presión. Para restaurar el equilibrio, se produce un transporte de vapor de agua hacia las zonas de baja presión (principalmente por mecanismos de gradiente de presión de tipo Darcy): 1) el vapor se evacua hacia el exterior por la superficie caliente, causando la pérdida de masa en el material, y 2) migra hacia el interior del elemento, donde comienza a condensarse en cuanto lo permiten las condiciones termodinámicas (presión, volumen y temperatura), formando gradualmente un frente casi saturado de agua líquida en las proximidades de la superficie expuesta (moisture clog), [4].
Este mecanismo termo-hídrico, responsable de la creación de la barrera saturada (moisture clog) y de la aparición de presiones de poros importantes, está fuertemente influenciado por las propiedades de transferencia del hormigón y, en particular, de la permeabilidad al gas. Además, en hormigones de baja permeabilidad, la eliminación de las moléculas de agua se ve severamente ralentizada (según la ley de Darcy), ofreciendo así, para un poro determinado, una mayor propensión a la generación de vapor, aumentando la presión de poros en su seno.
Actualmente, los análisis termo-gravimétricos (TGA) permiten evaluar fenómenos y transformaciones que se producen en los materiales con el incremento de la temperatura. Sin embargo, para el caso del hormigón, esta técnica no permite realizar el análisis conjunto de todos los materiales constituyentes ni el efecto de la migración de humedad en su interior, producto de las limitadas dimensiones de las muestras. En ese sentido, los estudios se han centrado fundamentalmente en el análisis por separado de los áridos [7,8] y la pasta de cemento [9,10].
En estudios recientes [11,12] se proponen análisis de pérdida de masa sobre muestras de mayores dimensiones sometidas a un proceso de calentamiento lento. Sin embargo, este tipo de enfoque no permite reproducir el carácter dinámico del fenómeno de transferencia de masa y energía en hormigones expuestos al fuego, en donde existen grandes gradientes de temperatura en el material. En ese sentido resulta necesario disponer de un método de ensayo capaz de reproducir más adecuadamente las condiciones de exposición térmica del material en condiciones de uso final, que permita realizar una evaluación más realista del fenómeno.
A falta de consenso entre los autores sobre la metodología más adecuada para cuantificar el incremento de la presión de poros en el hormigón y describir los procesos de transferencia de masa y energía, en el presente estudio se presenta una metodología inspirada en métodos termo-gravimétricos [13], basada en otras normativas y estudios de referencia [14-16]. El método propuesto permite analizar el comportamiento de hormigones sometidos a una agresión térmica unidireccional mediante el empleo de un calorímetro de pérdida de masa y una serie de termopares.
Este procedimiento permitió evaluar de manera simultánea la pérdida de masa, la velocidad de pérdida de masa y la evolución de las temperaturas en diversos puntos de la muestra en una sola medición sobre una muestra de pequeño tamaño. Adicionalmente, el proceso de transferencia térmica que tiene lugar en las muestras ha sido monitorizado además mediante el empleo de termografía infrarroja.
2. MATERIAL Y MÉTODOS
2.1.- MÉTODO DE ENSAYO
La metodología experimental propuesta se basa en el muestreo simultáneo de la pérdida de masa y la evolución de las temperaturas en muestras de hormigón sometidas a un ataque térmico unidireccional, generado mediante un quemador troncocónico que irradia calor como un cuerpo gris, basado en la configuración del método de ensayo del calorímetro de pérdida de masa[15].
El elemento calefactor del equipo tiene una emisividad de 0.99 y puede ser operado a una temperatura máxima de 1000ºC. Esta configuración garantiza una homogeneidad en el flujo de calor en toda la superficie de la cara expuesta de la muestra. La intensidad de flujo de calor entregado puede ser ajustada dentro del rango de 0.1 a 100 kW/m2, permitiendo reproducir condiciones correspondientes a diferentes estadios de desarrollo del incendio.
La energía de radiación transferida por el quemador a la muestra está determinada por la Ec. (1):




(1)


Donde: A1 es el área de la superficie emisora, F1→2 es el factor de forma, T1 es la temperatura del emisor, T2 es la temperatura de la cara expuesta y  es la constante de Stefan-Bolztman.

El factor de forma es obtenido mediante la integración de la Ec. (2), dando para esta configuración de ensayo un valor de 0.73.




(2)


Donde: A1 es el área de la superficie emisora, A2 es el área de la cara expuesta de la muestra, 1 es el ángulo normal al plano de la superficie A1, 2 es el ángulo normal al plano de la superficie A2 y r es la distancia entre la superficie A1 y A2.
El equipo dispone de una célula de carga, con una precisión de 0,1 gramos y un rango de lectura de 0,1 a 2350 gramos a la cual se acopla un dispositivo para la colocación de la muestra mediante un vástago de acero. La altura del vástago es regulable, de forma tal que se garantiza que la separación de la muestra al quemador sea de 25 mm, tal como se muestra en el esquema de la Fig. (1).



Fig. 1: Esquema de la configuración del ensayo


Previo a la realización de los ensayos, las muestras son instrumentadas mediante termopares tipo K lo cual permite el muestreo de las temperaturas en la superficie y el interior de la muestra según Fig. (2).





Fig. 2: Probeta colocada sobre el porta-muestras e instrumentada con termopares


Los datos de los termopares fueron recogidos con un tiempo de paso de 1 segundo para los ensayos. Los datos fueron recogidos mediante un equipo de adquisición de datos, procesándose para obtener las gráficas de variación de estos parámetros en el tiempo.
Durante el proceso de diseño del experimento se seleccionó un diseño completamente aleatorio con dos factores primarios (intensidad de ataque térmico y tiempo de exposición). El experimento compara los valores de las variables respuesta (pérdida de masa, velocidad de pérdida de masa y temperatura) basado en los diferentes niveles de los factores primarios. Estos niveles han sido asignados aleatoriamente a las unidades experimentales, entendiéndose por aleatoriamente que la secuencia de ejecución de las unidades experimentales es determinada al azar.
A partir del criterio anterior, se establecieron dos niveles para cada uno de los factores primarios. Se seleccionaron dos intensidades de ataque térmico: una relativamente baja de 35 kW/m2 y otra relativamente alta de 75 kW/m2 y dos tiempos de exposición: 30 y 60 minutos. El cálculo del tamaño de muestra para este tipo de diseño se realizó mediante la expresión:




(3)


Donde N es el número de ensayos, k es el número de factores, L es el número de niveles del factor primario y n es el número de réplicas del experimento.
Con el fin de maximizar la sensibilidad de los análisis estadísticos subsecuentes, el número de replicas debe ser el mismo para cada nivel del factor. Además, se ha tenido en cuenta que el número mínimo de réplicas está también condicionado por el procedimiento metodológico del calorímetro de pérdida de masa. En ese sentido, el procedimiento establece el ensayo de tres muestras como mínimo por material para una adecuada caracterización. La Tabla 1 muestra un resumen del número de muestras considerando dos factores primarios con dos niveles y tres réplicas por experimento.


Dimensiones de la muestra
95 x 50 mm

Nº de muestras para ensayo de calorimetría

Flujo de calor

35 kW/m2

75 kW/m2

Tipo de Ensayo

Texp: 30 min

3

3

Texp: 60 min

3

3

Total

12

Tabla 1: Número de muestras mínimas para los ensayos a diversos flujos de calor
2.2.- MATERIALES
A efectos de calibración y validación de la metodología propuesta se realizaron una serie de pruebas preliminares sobre muestras de tres hormigones confeccionados con áridos calizos los cuales han sido designados como G, H y P.
En la Tabla 2 se presenta un resumen con las principales características de los tres hormigones empleados en los estudios.

Designación

Tipo de Hormigón

f’c
[N/mm2]

TMáx Árido
[mm]

Cemento

(kg)

Agua

(kg)

Relación a/c

Agua de Hidratación

(kg)

(estimada)*

Contenido de Humedad

(%)

(estimada)

G

HA-25

36.4

10

300

162

0.54

58.4

4.02

H

HA-25

33.6

20

300

171

0.57

58.4

4.28

P

HA-30

43.7

20

400

180

0.45

77.9

3.89

* 

Tabla 2: Características de los hormigones empleados
Para la confección de las muestras se emplearon moldes cilíndricos estándares de 150 x 300 mm. Una vez hormigonadas, las probetas fueron mantenidas en el molde durante 24 horas sumergidas en agua a una temperatura de 23º ± 2ºC. Posteriormente fueron transferidas a un ambiente de temperatura y humedad controlada ≥ 95 % HR y 20ºC ± 2ºC, según UNE-EN 12390-2:2009 hasta los 28 días de edad, fecha en la cual se procedió a su envío al laboratorio.
Una vez recibidas las probetas y a fin de ajustarlas a las condiciones requeridas para los ensayos se procedió a la extracción de testigos cilíndricos de 95 mm de diámetro y 300 mm de longitud. Estos testigos fueron posteriormente cortados de manera tal que la altura de los especímenes estuviese dentro del rango de 48 ± 2 mm tal como se muestra en la Fig. (3).


Fig. 3: Muestras obtenidas a partir de la extracción y corte de testigos
Una vez cortadas las muestras fueron conservadas a una temperatura de 25 ºC ± 2ºC y 50 % ± 3 % de humedad relativa hasta los 90 días de edad, tras lo cual se procedió a la realización de los ensayos.
2.3.- PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
El método de ensayo propuesto permite el análisis de muestras de pequeño tamaño (dimensiones máximas de 100 x 100 x 50 mm3 y peso máximo 2 Kg.).
Los termopares tipo K fueron ubicados en la cara de la probeta expuesta a la radiación del quemador troncocónico, y en el interior, a 25 mm de la cara expuesta, a fin de poder realizar un perfil de la penetración térmica que se produce en la muestra en función del tiempo.
Para la colocación del termopar en el centro de la muestra se perforó un orificio mediante un taladro de 2.5 mm de diámetro y 45 mm de profundidad. Los termopares fueron colocados y fijados en su posición mediante un dispositivo de sujeción, teniendo especial cuidado de que los termopares no quedasen demasiado tirantes y esto afectase las lecturas de pérdida de masa.
Los ensayos fueron realizados siguiendo el procedimiento descrito a continuación:


  • Previamente a la realización del ensayo, se procedió a la realización de un control visual y fotográfico de las muestras a fin de detectar anomalías en las mismas.

  • Se procedió a la colocación de los termopares en la posición indicada y se configuraron los equipos de adquisición de datos para la identificación y el tratamiento posterior de los resultados.

  • Posteriormente se procedió a la colocación del portamuestras con la muestra y el dispositivo de sujeción de los termopares sobre la célula de carga, comprobándose que el cable de termopar no interfiriese en el muestreo de la masa.

  • Una vez configurados los equipos de adquisición de datos y calibrado, el flujo del quemador se dio inicio al ensayo, iniciando de manera sincronizada la toma de datos de pérdida de masa, temperaturas mediante termopares y termografía infrarroja y la grabación en video de todo el ensayo.

  • Se dio la instrucción a los operarios de que, en caso de ocurrencia de algún suceso extraordinario (ocurrencia de spalling o cualquier otro), pulsasen la tecla correspondiente en el software de adquisición de datos para que quedase registrado en el tiempo.

  • Una vez alcanzado el tiempo previsto para cada uno de los ensayos, se procedió a cerrar el shutter del quemador, deteniéndose la adquisición de datos provenientes de la célula de carga, los termopares y la cámara termográfica.

  • Finalizada la adquisición de los datos, las muestras fueron retiradas del equipo y dejadas enfriar a temperatura ambiente. Posteriormente se realizó una nueva inspección visual y fotográfica de las muestras, señalándose las áreas afectadas mediante un rotulador para su mejor identificación.

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