El módulo de elasticidad dinámico del hormigón es un parámetro importante para evaluar la rigidez, el estado interno y la durabilidad del material. A diferencia de los ensayos de módulo estático, que miden la deformación bajo cargas mecánicas aplicadas gradualmente, los ensayos de módulo dinámico evalúan la respuesta de una probeta de hormigón a la vibración, generalmente mediante la medición de su frecuencia de resonancia.

El método de resonancia resulta especialmente útil para monitorear el hormigón sometido a ciclos de congelación y descongelación, ataques químicos, la acción de la intemperie y otras condiciones que afectan a la durabilidad. Las variaciones en la frecuencia de resonancia pueden reflejar defectos internos, tales como microfisuras y poros, lo que convierte al ensayo de módulo dinámico en un método valioso para evaluar los cambios en el comportamiento del hormigón.

1. ¿Qué es el módulo de elasticidad dinámico del hormigón?

El módulo de elasticidad dinámico describe la rigidez del hormigón cuando se somete a cargas dinámicas o vibratorias. Por lo general, se determina a partir de la frecuencia de resonancia de una probeta de hormigón, junto con su masa, dimensiones, densidad y los factores de cálculo aplicables.

Dado que los ensayos dinámicos implican deformaciones muy pequeñas, por lo general no causan daños permanentes significativos en la probeta. El módulo dinámico obtenido mediante el método de resonancia suele ser superior al módulo estático determinado mediante ensayos convencionales de esfuerzo-deformación.

Por tanto, los ensayos de módulo dinámico son útiles no solo para determinar la rigidez dinámica del hormigón, sino también para monitorear los cambios en su estado interno durante los ensayos de durabilidad.

2. ¿Qué norma se utiliza para determinar el módulo dinámico del hormigón?

Una norma de referencia internacional importante es la ASTM C215-19, Método de ensayo normalizado para las frecuencias fundamentales de resonancia transversal, longitudinal y torsional de especímenes de hormigón.

La norma ASTM C215 abarca la medición de las frecuencias fundamentales de resonancia transversal, longitudinal y torsional de prismas y cilindros de hormigón. Estas mediciones pueden utilizarse para calcular el módulo de Young dinámico, el módulo de corte dinámico y el coeficiente de Poisson dinámico.

La norma también resulta útil para monitorear los cambios en las propiedades del hormigón durante los ensayos de intemperismo y durabilidad. Al realizar ensayos de módulo dinámico, es necesario controlar adecuadamente las dimensiones, la forma, el estado de humedad y el modo de vibración de la probeta, ya que estos factores pueden influir en los resultados obtenidos.

3. ¿Cómo funciona el método de resonancia?

El principio fundamental del método de resonancia consiste en excitar una probeta de hormigón y determinar su frecuencia natural o de resonancia.

Cuando la frecuencia de excitación se aproxima a la frecuencia natural de la probeta, la respuesta de vibración alcanza un máximo. Esta frecuencia se identifica como la frecuencia de resonancia.

Dependiendo de la configuración del ensayo, la probeta puede evaluarse mediante:

Resonancia transversal;

Resonancia longitudinal;

Resonancia torsional.

Una vez determinada la frecuencia de resonancia, esta se combina con las propiedades físicas de la probeta y la fórmula de cálculo adecuada para obtener el módulo de elasticidad dinámico.

El método de resonancia resulta especialmente útil para estudios de durabilidad, ya que permite realizar mediciones repetidas en la misma probeta para monitorear los cambios en sus propiedades dinámicas.

4. ¿Cómo se calcula el módulo dinámico del hormigón?

El cálculo depende de la geometría de la probeta y del modo de vibración seleccionado. En general, el módulo dinámico está relacionado con el cuadrado de la frecuencia de resonancia, la densidad de la probeta y un factor geométrico o de corrección adecuado.

Una relación simplificada puede expresarse de la siguiente manera:

Módulo dinámico ∝ Densidad × Frecuencia de resonancia² × Factor de corrección

Por lo tanto, la medición precisa de la frecuencia de resonancia es fundamental para obtener resultados fiables del módulo dinámico.

Para un ensayo típico, el operador registra las dimensiones y la masa de la probeta, determina su frecuencia de resonancia y, a continuación, utiliza el procedimiento de cálculo aplicable para obtener el módulo dinámico.

La norma ASTM C215 establece procedimientos de cálculo específicos para diferentes configuraciones de probetas y modos de resonancia. Los valores resultantes solo deben compararse cuando las condiciones de ensayo y los métodos de cálculo sean coherentes.

5. ¿Cómo realizar un ensayo de módulo dinámico del hormigón?

Una prueba típica basada en la resonancia incluye los siguientes pasos:

Paso 1: Preparar la probeta

Prepare un prisma o cilindro de hormigón de acuerdo con los requisitos de ensayo aplicables. Registre sus dimensiones, masa, edad, condiciones de curado y estado de humedad.

Paso 2: Colocar la probeta

Coloque la probeta sobre soportes adecuados según el modo de vibración seleccionado. Unas condiciones de apoyo adecuadas son importantes, ya que pueden influir en la frecuencia de resonancia medida.

Paso 3: Aplicar la excitación dinámica

Excite la probeta utilizando el sistema de excitación adecuado. Dependiendo del equipo y del método de ensayo, se puede emplear vibración forzada o excitación por impacto.

Paso 4: Medir la frecuencia de resonancia

Determine la frecuencia a la que la probeta presenta su respuesta de vibración máxima.

Paso 5: Calcular el módulo dinámico

Utilice la frecuencia de resonancia medida, junto con la masa, las dimensiones, la densidad y los factores de corrección aplicables de la probeta, para calcular el módulo de elasticidad dinámico.

Paso 6: Registrar y analizar los resultados

Registre los resultados de la prueba y compárelos con las mediciones iniciales o con las obtenidas tras la exposición para pruebas de durabilidad.

6. ¿Cómo se utiliza el módulo dinámico para evaluar la durabilidad del hormigón?

Una de las aplicaciones más importantes de los ensayos de módulo dinámico es la evaluación del deterioro del hormigón durante los ciclos de congelación y descongelación.

La congelación y descongelación repetidas pueden provocar tensiones internas y microfisuración en el hormigón. A medida que aumenta el daño interno, la rigidez y las características de vibración de la probeta pueden variar, lo que resulta en una reducción de la frecuencia de resonancia y del módulo dinámico.

En los estudios de durabilidad, se suele utilizar el módulo dinámico relativo (RDM) para monitorear los cambios en el comportamiento del hormigón.

Una relación utilizada habitualmente es:

RDM = (fₙ / f₀)² × 100%

donde:

• fₙ = frecuencia de resonancia tras un número determinado de ciclos de exposición o de congelación y descongelación

• f₀ = frecuencia de resonancia inicial antes de la exposición

Una disminución del módulo dinámico relativo indica, por lo general, un deterioro interno progresivo de la probeta de hormigón.

Esto hace que los ensayos de módulo dinámico sean especialmente útiles para evaluar la durabilidad del hormigón expuesto a ciclos repetidos de congelación y descongelación, así como a otras condiciones ambientales.

7. ¿Cuál es la diferencia entre el módulo dinámico y el estático del hormigón?

Los ensayos de módulo dinámico y estático evalúan el hormigón bajo diferentes condiciones de carga y proporcionan distintos tipos de información sobre el material.

El módulo de elasticidad dinámico se determina habitualmente mediante un método basado en la resonancia. La probeta se somete a una excitación dinámica y se mide su frecuencia de resonancia. Dado que la deformación implicada es muy pequeña, el ensayo puede realizarse repetidamente para monitorear los cambios en la probeta sin causar una deformación permanente significativa.

Por otro lado, el módulo de elasticidad estático se determina generalmente a partir de la relación esfuerzo-deformación del hormigón bajo carga mecánica. La norma ASTM C469/C469M es una referencia habitual para determinar el módulo de elasticidad estático y el coeficiente de Poisson del hormigón a compresión.

El módulo dinámico es, por lo general, superior al módulo estático. Esta diferencia puede verse influida por factores tales como el nivel de deformación, la frecuencia de carga, el grado de humedad, la composición del hormigón, el estado de la probeta y la microfisuración interna.

Por lo tanto, los valores de los módulos dinámico y estático no deben sustituirse directamente entre sí. El valor adecuado debe seleccionarse en función del propósito del ensayo y de la norma de ensayo aplicable.

Conclusión

El módulo de elasticidad dinámico del hormigón puede determinarse midiendo la frecuencia de resonancia de una probeta de hormigón y aplicando el procedimiento de cálculo adecuado, basado en las propiedades físicas de la probeta y en su modo de vibración.

El método de resonancia ofrece una forma práctica de evaluar la rigidez dinámica del hormigón y de monitorear los cambios en su estado interno. Resulta especialmente útil para ensayos de ciclos de congelación y descongelación, la evaluación de la durabilidad y el seguimiento del deterioro del hormigón.

Mediante la medición repetida de la frecuencia de resonancia y del módulo dinámico de una misma probeta, los laboratorios pueden identificar cambios en las propiedades del hormigón durante los ensayos de durabilidad y obtener información valiosa sobre su comportamiento a largo plazo.

El equipo TD50082-5 para la determinación del módulo de elasticidad dinámico del hormigón está diseñado para realizar automáticamente la medición de frecuencia, el procesamiento de datos y el cálculo del módulo dinámico. Proporciona una solución eficiente de laboratorio para evaluar las propiedades dinámicas y los cambios relacionados con la durabilidad del hormigón y otros materiales adecuados.

Norma de referencia: ASTM C215-19