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






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títuloAnálisis experimental de hormigones expuestos al fuego evaluación de variables hidro-térmicas
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fecha de publicación07.08.2015
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3. RESULTADOS
En las Fig. (4, 5 y 6) se muestran las gráficas de velocidad de pérdida de masa y temperaturas experimentadas por los tres hormigones objeto de estudio para los flujos de calor de 35 kW/m2 y 75 kW/m2 durante el ensayo de 60 minutos de duración. Tal como se aprecia en las figuras, el hormigón P, que presentaba el menor contenido de humedad, fue el que mayor aumento de temperatura experimentó durante los ensayos.



Fig. 4: Velocidad de pérdida de masa y temperaturas experimentadas por el hormigón G durante los ensayos a flujos de calor de 35 kW/m2 (izquierda) y 75 kW/m2 (derecha)


Fig. 5: Velocidad de pérdida de masa y temperaturas experimentadas por el hormigón H durante los ensayos a flujos de calor de 35 kW/m2 (izquierda) y 75 kW/m2 (derecha)


Fig. 6: Velocidad de pérdida de masa y temperaturas experimentadas por el hormigón P durante los ensayos a flujos de calor de 35 kW/m2 (izquierda) y 75 kW/m2 (derecha)
La Fig. (7) muestra las gráficas de la pérdida de masa acumulada experimentadas por los tres hormigones para los flujos de 35 kW/m2 y 75 kW/m2 durante el ensayo de 60 minutos de duración. Tal como se observa en la figura, el hormigón que mayor pérdida de masa experimentó a los dos flujos de ensayos fue el hormigón P.


Fig. 7: Pérdida de masa acumulada experimentadas por los hormigones durante los ensayos a flujos de calor de 35 kW/m2 (izquierda) y 75 kW/m2 (derecha)
En la Fig. (8) se presenta una comparativa de la velocidad de pérdida de masa experimentada por los tres hormigones objeto de estudio para los dos flujos analizados durante el ensayo de 60 minutos. Tal como se aprecia en las figuras, las velocidades máximas de pérdida de masa que se experimentaron durante los ensayos al flujo de calor de 75 kW/m2 fueron entre un 60 % y un 70 % superiores en relación a los ensayos al flujo de calor de 35 kW/m2.


Fig. 8: Comparación de las velocidades de pérdida de masa experimentadas por los hormigones durante los ensayos a flujos de calor de 35 kW/m2 (izquierda) y 75 kW/m2 (derecha)
La Fig. (9) presenta la progresión del ataque térmico y la temperatura a 25 mm de la cara expuesta en una de las muestras del hormigón G en el ensayo de flujo de calor de 75 kW/m2 y 30 minutos de duración. Tal como se aprecia en la Tabla 3, la correlación entre los valores de temperatura obtenidos mediante termografía y los obtenidos de las lecturas del termopar presentan un coeficiente de correlación Pearson (R2) muy elevado de 0.9912.


Fig. 9: Perfil de Temperaturas observados mediante termografía infrarroja en una de las muestras del hormigón P en el ensayo para un flujo de calor de 75 kW/m2 y 30 minutos de duración


Tiempo

Temp.

25 mm TP

Temp.

25 mm

CT

300

98.0

124.3

600

137.6

170.7

900

193.3

206.8

1200

247.0

238.5

1500

294.4

291.8

1800

337.5

338.6

Coef. Corr.

0.9912

Tabla 3: Correlación entre las temperaturas reportadas por el termopar y las observadas con la cámara termográfica
En la Tabla 4 se presenta un resumen de los resultados obtenidos para las muestras analizadas.


Código

A

B

C

D

E

F

G

G-35-30

793.6

767.6

26.0

370.0

214.6

26

-

H-35-30

786.3

759.8

27.5

367.5

217.2

27

-

P-35-30

762.2

732.5

29.7

380.9

221.4

28

-

G-35-60

776.4

739.9

36.5

382.9

288.9

25

-

H-35-60

794.5

762.1

32.4

360.0

319.3

26

-

P-35-60

817.1

771.3

45.8

385.7

322.9

28

-

G-75-30

775.0

732.6

42.4

553.5

317.6

38

-

H-75-30

779.6

741.4

38.2

551.5

366.5

42

-

P-75-30

782.4

742.0

40.4

575.7

337.5

60

x

G-75-60

765.7

723.0

42.7

637.9

427.8

37

-

H-75-60

817.7

774.2

43.5

611.9

411.4

40

-

P-75-60

797.1

749.4

47.7

642.4

422.5

45

-

A: Masa Inicial (g)

B: Masa Final (g)

C: Pérdida de Masa (g)

D: Temperatura Máxima Cara Expuesta (ºC)

E: Temperatura Máxima Centro de la Muestra (ºC)

F: Velocidad Máxima de Pérdida de Masa (mg/s)

G: Ocurrencia de Spalling

Tabla 4: Resumen de los resultados obtenidos en los ensayos.
4.- DISCUSIÓN
Tal como se aprecia en los resultados presentados de la Tabla 4, las temperaturas dentro de las muestras de hormigón se vieron influenciadas por el contenido de humedad. A medida que se incrementa el contenido de humedad se produce una disminución en las temperaturas reportadas por los termopares durante el ensayo. Este fenómeno evidencia el efecto de enfriamiento que produce la evaporación del agua dentro del hormigón, lo cual retarda el incremento de las temperaturas.
La velocidad máxima de pérdida de masa presentó una dependencia directa con la cantidad de agua de amasado. A mayor cantidad de agua de amasado mayor fue la velocidad de pérdida de masa experimentada por las muestras durante los ensayos.
El instante de tiempo en el que se produce la máxima velocidad de pérdida de masa también es dependiente del contenido de humedad. Los resultados para los ensayos de 35 kW/m2 muestran que a menor contenido de humedad inicial, mayor es el tiempo necesario para alcanzar la velocidad máxima de pérdida de masa.
Para el caso de exposición a un flujo de 75 kW/m2, se observó que los mayores valores de velocidad de pérdida de masa se registraron en aquellos hormigones con mayor contenido inicial de humedad. Para esta condición, los resultados muestran que a medida que se incrementa el contenido de humedad de las muestras disminuye el tiempo en el cual se alcanza esta velocidad máxima.
Estos resultados recalcan el hecho de la gran influencia que ejerce la condición de ataque térmico y el contenido de humedad inicial sobre los mecanismos de liberación de la humedad en el hormigón.
Una de las muestras del hormigón P presentó spalling explosivo de superficie en el ensayo de 75 kW/m2 y 30 minutos de duración, sin embargo este fenómeno no se repitió en ninguna otra muestra de este hormigón ensayadas a 30 o 60 minutos. Cabe destacar que los experimentos han sido diseñados para evaluar la adecuación de la metodología experimental para evaluar los fenómenos de transferencia de masa y energía y no para reproducir spalling.
De los resultados obtenidos de los ensayos se puede inferir la siguiente tendencia:


  • El contenido de humedad inicial de la muestra influye en la velocidad con que se alcanzan los 100 ºC a 25 mm de la cara expuesta. A mayor contenido de humedad, mayor tiempo, debido a que parte de la energía calorífica suministrada a la muestra se consume en el proceso de evaporación del agua.

  • Según se ha podido constatar, la velocidad máxima de pérdida de masa está influenciada por la magnitud del ataque térmico sobre la probeta. Los valores máximos de velocidad de pérdida de masa se producen para el flujo de 75 kW/m2, los cuales son entre un 60 y un 70 % superiores que los observados para el flujo de 35 kW/m2.

  • Para las mismas condiciones de exposición térmica, a medida que la cantidad de agua utilizada durante el amasado es menor, menor resulta la velocidad máxima de pérdida de masa.

  • A medida que aumenta la cantidad de agua utilizada durante el amasado, aumenta el tiempo para que se produzca la expulsión del agua libre del hormigón. No obstante, se sugiere el desarrollo de ensayos de porosidad y de permeabilidad al vapor para poder describir de manera más aceptada el comportamiento de este parámetro.

  • Las temperaturas alcanzadas en la cara expuesta de las muestras sometidas al flujo de 75 kw/m2 son lo suficientemente elevadas para provocar la deshidratación de la pasta de cemento y la descomposición del hidróxido de calcio.

  • Los tres hormigones reportaron un plateau de evaporación a 100 ºC por el termopar ubicado a 25 mm de la cara expuesta. Durante el tiempo en que se mantuvo esta condición se observó la salida de agua líquida y burbujas de gas por las inmediaciones del termopar.


5. CONCLUSIONES
En el presente trabajo se ha presentado una metodología experimental para evaluar los fenómenos de transferencia de masa y energía en hormigones sometidos a elevadas temperaturas, que ha permitido determinar con precisión tanto la pérdida de masa experimentada por las muestras como la evolución de las temperaturas en su interior.
Los resultados de los ensayos sobre los tres hormigones estudiados han demostrado que la metodología experimental propuesta es sensible a la variación de los parámetros considerados en el estudio, destacando el papel determinante que ejerce la velocidad y la intensidad de la agresión térmica en el comportamiento del hormigón.
Se ha evidenciado que el contenido de humedad inicial ejerce influencia tanto en el incremento de las temperaturas como en la velocidad máxima de pérdida de masa y el tiempo necesario para la expulsión de la humedad del hormigón.
Los resultados del análisis de pérdida de masa al flujo de calor de 75 kW/m2 mostraron que es posible asociar la pérdida de masa que se produce a partir de la estabilización de la velocidad de pérdida de masa entorno a los 2000 segundos con la deshidratación del silicato de calcio hidratado. Sin embargo, en la rama ascendente de la curva se está produciendo de forma combinada la expulsión del agua libre y la expulsión del agua de deshidratación, lo cual dificulta el análisis del proceso. En ese sentido, se recomienda realizar también ensayos sobre muestras secadas previamente a 105ºC a fin de poder aislar estos fenómenos.
La porosidad y la permeabilidad del hormigón se encuentran estrechamente relacionadas con la cantidad de agua utilizada durante el amasado y con el contenido de humedad. En ese sentido, los resultados obtenidos en los análisis para ambas condiciones de ataque térmico de los hormigones G y H, los cuales difieren básicamente en la relación agua-cemento, ponen de manifiesto la relación directa que existe entre la permeabilidad y la porosidad y la velocidad de pérdida de masa, siendo mayor esta última para el hormigón H, el cual presenta la relación agua-cemento más alta.
La utilización de la termografía infrarroja para monitorizar la penetración de la onda térmica en el hormigón ha demostrado ser un método bastante fiable para estimar las temperaturas en las muestras. En ese sentido, el análisis de correlación de las lecturas mediante termografía y los termopares ha sido positivo, por lo que esta técnica puede aplicarse para estimar las temperaturas en zonas en las que no se han colocado termopares.
Se ha comprobado que el tamaño de muestras empleado es lo suficientemente grande para evaluar la salida de agua desde el interior de la muestra a diferencia de los análisis termo-gravimétricos convencionales, los cuales requieren volúmenes muy pequeños de material en polvo para el desarrollo de los experimentos.
La metodología propuesta ha demostrado ser adecuada para describir el proceso de transferencia de masa y energía que tiene lugar en el interior del hormigón producto del ataque térmico. En ese sentido, es posible aplicar el método propuesto para evaluar diversos tipos de fenómenos, tales como la efectividad de las fibras de polipropileno para la liberación de humedad y la reducción de la presión de poros, etc. En este sentido, como líneas de continuidad de los trabajos se señala el establecer las relaciones que existen entre la permeabilidad, la porosidad y la pérdida de masa.
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