Metodos No Invasivos

7/29/2019 Metodos No Invasivos

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MTODOS NO INVASIVOS

Ultrasonido

El ultrasonido es una onda acstica que sobrepasa los 20kHz (lmite de audicin

humana). Durante el proceso de transmisin de la onda ultrasnica songenerados tres tipos de ondas: longitudinales, transversales y superficiales. Las

longitudinales o ondas de compresin son las ms veloces, seguidas de las

transversales y despus las superficiales.

El mtodo del ensayo de ultrasonido se fundamenta en el anlisis de pulsos

ultrasnicos que se propagan por los materiales. En la mayora de las veces, se

usa un transductor para la emisin del pulso y otro para la recepcin del pulso

despus de su propagacin en el material. A partir de la medida del tiempo de

recorrido que la onda lleva para atravesar el material y de la evaluacin de la

velocidad de propagacin correspondiente se puede obtener informacin sobre

la calidad, la composicin de su trazo y, en algunas condiciones, el cargamento aque est sometido (en estos dos ltimos casos, hasta el presente, solamente en

condiciones laboratoriales controladas)

TCNICAS Y EQUIPOS DE EVALUACIN NO DESTRUCTIVA EMPLEADOS ENFIRMES

Los mtodos de ensayo no destructivos permiten la evaluacin de las

estructuras in situ durante su servicio y la auscultacin durante largos perod os

de tiempo sin requerir ningn tipo de reparacin posterior. Estas tcnicas

suelen ser preferibles porque hacen posible reducir los ms altos costos y

tiempos de ejecucin que suelen precisar otros tipos de ensayos de carcterdestructivo, como es la extraccin de testigos. De esta forma puede realizarse

un adecuado control durante toda su vida til y prevenir un agotamiento o fallo

prematuro.

Los sistemas empleados habitualmente en la ingeniera de pavimentos para su

evaluacin no destructiva pueden clasificarse en diferentes categoras: tcnicas

vdeo-lser, equipos basados en medidas de deflexiones, equipos ssmicos,

tcnicas electromagnticas, nucleares, de infrarrojos, termografas, etc.

Equipos que emplean tcnicas Vdeo-Lser

El aspecto, geometra y localizacin de los deterioros de carcter superficialpueden inspeccionarse mediante tcnicas basadas en la obtencin de imgenes

y, si se combinan con el empleo del lser, incluso hasta algunas caractersticas

como la abertura y profundidad visible de las grietas.

No obstante, existen una serie de importantes dificultades an no resueltas ya

que la fisuracin es una de las propiedades de la superficie de la carretera ms

difciles de medir y evaluar usando equipos automticos. En el estado actual del

desarrollo, las tcnicas automticas Vdeo-Lser, incluso incorporando cmaras


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de vdeo 3D (de alta velocidad y definicin con procesamiento digital de las

imgenes) y proyectores lser lineales emparejados como los equipos LCMS

(Laser Crack Measurement System) (Fig. 1.7), no permiten la medicin de la

profundidad real de las fisuras. La profundidad que puede percibir el lser es

aproximadamente la visible, pero no la verdadera profundidad estructural de la

grieta. Es decir, con estos equipos se puede acometer una inspeccin de lascaractersticas superficiales de la fisuracin pero no permiten distinguir a qu

capas est afectando cada fisura.

Esquema de funcionamiento de los equipos de auscultacin superficial de

pavimentos tipo Vdeo-Lser LCMS [Cortesa de PAVEMETRICS]

Equipos basados en la medida de deflexiones

Desde la dcada de 1970 se han desarrollado notablemente las tcnicas ydispositivos de ensayo basados en la determinacin de las deflexiones

producidas sobre el firme por la accin de un impulso dinmico sobre su

superficie, como los deflectmetros de impacto (Falling Weight Deflectometer,

FWD) y dispositivos similares (Heavy Weight Deflectometer, HWD; Rolling

Dynamic Deflectometer, RDD; Light Weight Deflectometer 7, LWD), o por

accin de una carga esttica (Rolling Wheel Deflectometer, RWD;

deflectgrafos, curvimetro, etc.).

Actualmente el FWD es la principal herramienta de ensayo no destructivo

utilizada en la ingeniera de firmes. En general son equipos de gran rendimiento

que permiten la determinacin de los mdulos de las diferentes capas del firme

(incluida la explanada) y el conocimiento de sus condiciones estructurales yestado de deterioro8.

Con todo, las tcnicas basadas en la medida de deflexiones, aunque posibilitan

conocer el estado estructural de un firme relacionado con su nivel de deterioro,

no permiten una evaluacin de la geometra de determinados defectos como el

tamao de las fisuras, debido a que las deflexiones resultan excesivamente

sensibles a otros muchos parmetros (rigideces y espesores de las capas,

propiedades de la subestructura del firme, etc.) que tienen mayor influencia


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sobre los resultados que la presencia de tales fisuras superficiales. Tampoco

permiten evaluar las condiciones que presentan las fisuras o las juntas de

construccin de pavimentos asflticos.

Equipos que emplean ondas electromagnticas

Otras tcnicas NDT basadas en pulsos electromagnticos cortos de

radiofrecuencia (en un rango entre 10 y 2000 MHz) como el georradar (Ground

Penetrating Radar, GPR) tambin se emplean en la investigacin de firmes,

habitualmente para la determinacin de los espesores de las diferentes capas

estructurales (incluyendo las granulares y explanadas), para evaluar el estado

de los diferentes materiales y zonas daadas, localizar huecos bajo la superficie,

detectar interfases con insuficiente adherencia y determinar zonas con exceso

de humedad. Una gran ventaja es que las medidas y registro de datos pueden

ser efectuados en movimiento (y sin contacto con el firme) desde un equipo

instalado en un vehculo, sin apenas interferencia con el resto del trfico. Hugo

et al. (2008) han estudiado la rigidez de las diferentes capas de f irmes de

carretera mediante GPR y han podido identificar la presencia de delaminaciones

en las interfases y disminuciones de la rigidez debido a la existencia de fisuras.

Colagrande et al. (2007) han aplicado

el GPR para la investigacin de fisuras y la deteccin de procesos de

degradacin extensiva en pavimentos asflticos. La integridad de estos

pavimentos hasta profundidades de 1,5 m, que

constituye un lmite hasta donde el procedimiento es suficientemente fiable, se

ha estudiado mediante un anlisis cuantitativo de la atenuacin de la seal GPR

con la profundidad. Segn estos autores, dichas variaciones en las seales GPR

registradas pueden servir para evaluar las posibles causas de los deterioros

(diferenciar los fallos con origen en la explanada de los fallos por fisuracin de

las propias capas del firme).

Ms recientemente, la tcnica GPR con medidas a alta velocidad sobre el firme

ha sido objeto de investigacin en el marco del Second Strategic Highway

Research Program (SHRP 2. Renewal Project R06C) para la determinacin de la

uniformidad del material en las nuevas capas ejecutadas con MBC (Wimsatt et

al., 2009).

Sin embargo, mediante la aplicacin de esta tcnica no resulta factibledeterminar con precisin la profundidad de las fisuras del firme, sie ndo adems

muy compleja la interpretacin de los resultados cuando se trata de la deteccin

de defectos con caractersticas y geometras muy variables, requiriendo para

ello una alta especializacin y experiencia con esta metodologa.


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Equipos que emplean ondas ssmicas

Por el contrario, las tcnicas de evaluacin no destructiva que emplean ondas

ssmicas han adquirido una creciente importancia a lo largo del siglo XX para la

monitorizacin del

comportamiento y la integridad de las estructuras durante toda su vida til, conaplicacin en todos los mbitos de la ingeniera relacionados con los materiales.

Para la auscultacin sistemtica de los firmes se han desarrollado equipos

capaces de realizar ensayos no destructivos mediante ondas snicas y

ultrasnicas con un elevado rendimiento al ir incorporados en el equipamiento

del remolque de un vehculo. Dado que cada tcnica resulta eficaz para el

anlisis de unas determinadas propiedades, caractersticas o defectos de los

firmes y en un rango de aplicaciones especficas, algunos de estos equipos

integran dispositivos capaces de generar, detectar y analizar diferentes tipos de

ondas ssmicas mediante diferentes tcnicas. Uno de los ms conocidos es el

denominado Analizador Ssmico de Pavimentos (Seismic Pavement Analyzer,

SPA), del cual existe incluso una versin porttil (Portable Seismic PavementAnalyzer 9, PSPA), aunque mucho ms simplificada. El SPA fue desarrollado

bajo el Strategic Highway Research Program (SHRP) en la Universidad de Texas

at El Paso (Nazarian et al., 1993) y est patentado en la US Patent N 5,614,670

(Nazarian et al., 1997). Fue concebido como instrumento multipropsito de alto

rendimiento que permitiese a los responsables de la conservacin de los firmes

disponer de la informacin necesaria para adoptar decisiones sobre tareas de

rehabilitacin y tambin para la deteccin prematura de ciertos deterioros en

sus etapas ms iniciales, de manera que pueda realizarse un mantenimiento

preventivo ms econmico (Nazarian et al., 1993).

Las principales aplicaciones del SPA incluyen: obtencin de perfiles verticales

de rigideces yespesores de cada capa del firme; deteccin de huecos o prdida de capacidad

portante de la capas granulares de apoyo de los pavimentos de hormign;

deteccin de defectos de tipo delaminacin en pavimentos de hormign y

tableros de puente; auscultacin del estado de las juntas entre losas de

pavimentos rgidos; y evaluacin de la explanada. Para estos propsitos utiliza

cinco tcnicas ssmicas: UBW, USW, IE, IR y SASW (ver Captulo 3).


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SPA incorporado a un remolque; b) Detalle de los transductores y mazas en

posicin para ensayo [Fuente: Gucunski & Maher, 2002]

Sin embargo, tampoco ste tipo de equipos se conciben para la auscultacin de

deterioros de pequeas dimensiones, por lo que no resultan aplicables en la

evaluacin de la profundidad de las fisuras descendentes que afecten

exclusivamente a las capas superiores del firme, pues slo podran ser

detectadas cuado evolucionasen hacia fisuras completas afectando a todo el

espesor de ste, pero no en sus primeras fases iniciales.

Ultrasnico

El mtodo UPV es el ms antiguo y, con toda probabilidad, el procedi miento

ultrasnico ms extendido para la evaluacin de materiales. Se basa en la

medida de la velocidad de propagacin de las ondas ultrasnicas a travs del

material entre dos transductores. Dicha propagacin depende de laspropiedades del material (mdulos de elasticidad, densidad) y las

caractersticas de las interfases y contornos (textura, microestructura,

impedancia acstica, atenuacin, curvaturas).

As, puede determinarse el tiempo empleado por la onda en recorrer la

distancia entre ambos transductores y, por tanto, la velocidad de sta. Mediante

la relacin terica existente entre la velocidad de los ultrasonidos y las

constantes elsticas del material, es posible determinar su rigidez y obtener una

estimacin de la resistencia.

Alternativamente, para un material de velocidad de propagacin conocida, el

tiempo de transmisin permite medir el espesor de una muestra o capa de

material, as como la profundidad de un determinado defecto.El mtodo UPV puede aplicarse en diferentes configuraciones o esquemas de

medicin

1) transmisin directa

2) transmisin semidirecta


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3) transmisin indirecta o a travs de una nica superficie accesible del

material. En el primer caso intervienen solo ondas de cuerpo, mientras que en

los otros dos intervienen tanto stas como las ondas superficiales.

Existen dos tipos de ultra sonido

Equipado uno con transductores tipo DPC (contacto puntual seco) y el otro con

los transductores convencionales CPC de contacto superficial, que

convencionalmente requieren una sustancia de tipo gel para asegurar la

transmisin de las ondas.


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Aparato de ultrasonidos JME UK1401 con transductores tipo DPC utilizado en la investigacin

Esquema de las posiciones de medida con el aparato de ultrasonidos UK1401 en la superficie de cadaprobeta.


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Ejemplo de realizacin de medidas con JME UK1401 sobre probetas de Material a. (a) Probeta A12, altura de

probeta h=150 mm, profundidad de fisura z=25 mm; b) Probeta A11, h=60 mm, z=25 mm).


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Factores a considerar cuando se utiliza un equipo de ultrasonido en mezclas asflticas en caliente

Los ensayos de laboratorio se han diseado con el fin de estudiar de forma

controlada y reproducible la posible influencia de diferentes tcnicas de

operacin y de distintas variables en las mediciones de tiempos (o velocidades)de propagacin de los ultrasonidos en estos materiales bituminosos. Adems, se

ha pretendido tambin comprobar experimentalmente el cumplimiento de

ciertas hiptesis que presuponen los modelos tericos de propagacin de

ultrasonidos considerados.

As, en el conjunto de las dos campaas de ensayos de laboratorio se han

analizado los siguientes factores:

1) Tipo de aparato de ultrasonidos. Caracterizado, a su vez, por los

siguientes factores principales que diferencian a los eq uipos:

Frecuencia de los pulsos ultrasnicos: como se ver posteriormente(apartado 4.1), las dos frecuencias con las que se han realizado los

ensayos han sido 50 kHz y 70 kHz;

Tipo de transductores que utiliza: de contacto seco (DPC) o de contacto a

travs de un medio o sustancia adicional de acoplamiento (CPC) ;

Separacin o distancia entre ejes de transductores, denominada Base (B)

en este estudio;

Adems, puesto que uno de los dos equipos permite mediciones tanto en

modo tiempo de transmisin del pulso (expresado en s) como en modo

velocidad de propagacin (expresada en m/s), y aunque a priori, los

resultados se suponen iguales independientemente del modo empleado1,

en cada una de las dos campaas de ensayos en laboratorio se han

efectuado las medidas en un modo de medicin diferente, con objeto de

comprobar su similitud.

2) Tipo de material (mezcla bituminosa en caliente). Se seleccionaron MBC

habituales en capas de rodadura para pavimentacin viaria, tanto en

Espaa como en otros pases de nuestro entorno. En la primera campaa

se ensayaron dos tipos diferentes de mezclas asflticas, y en lasiguiente campaa se utilizaron los mismos tipos anteriores y se ampli

con un nuevo material. De esta manera, tres tipos diferentes de mezclas

asflticas habitualmente empleadas en capas de rodadura han sido

ensayadas: AC, SMA y PA (la descripcin detallada de cada una de ellas se

realiza posteriormente en el apartado correspondiente a materiales

ensayados).


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3) Temperatura (T [C]). Sabido es que la respuesta reolgica de los

materiales bituminosos depende de la temperatura y del tiempo de

aplicacin de la carga (o frecuencia, en rgimen oscilatorio de

solicitacin) y que su caracterizacin debe hacerse especificando dichas

variables. Si bien, en teora, la aplicacin de la tcnica de autocalibracin

utilizada en esta investigacin posibilitara obviar la influencia de talesvariables, no permite compensar los efectos que produce la difraccin de

las ondas en el vrtice inferior de la fisura, especialmente los fenmenos

de dispersin, ya que slo una de las dos mediciones se ve afectada por

dicha difraccin2. Por ello, se ha pretendido comprobar tal hiptesis

mediante la realizacin de las mediciones a tres diferentes temperaturas:

5, 20 y 35 C, que podran representar tres posibles temperaturas de

auscultacin de pavimentos en servicio (en invierno, en primavera u

otoo y en verano, respectivamente).

4) Profundidad de la fisura (z [mm]). Es la principal variable independiente

que se pretende estudiar con esta investigacin, ya que el objetivo finales poder establecer un procedimiento para evaluar sta a partir de las

mediciones de tiempos o velocidades de propagacin con los

ultrasonidos. En las probetas de laboratorio, estas fisuras se realizan

mediante entalladuras con sierra de disco controlando su profundidad

60 y 70 mm. En toda la investigacin se presupone la hiptesis adoptada

para los modelos tericos considerados (y que los resultados

experimentales han permitido corroborar) que las ondas ultrasnicas no

pueden propagarse atravesando las fisuras3, debiendo bordear la punta

de stas hasta alcanzar material no fisurado.

5) Espesor de material asfltico por debajo del punto ms profundo de lafisura. Se intenta verificar que las ondas que detecta el receptor, cuya

primera seal llega por tanto con mayor amplitud, son fundamentalmente

las difractadas bajo el vrtice de la fisura y no las reflejadas por la cara

inferior de la probeta4. Aunque el modelo terico de propagacin del

pulso ultrasnico propuesto admite esta hiptesis (ver apartado 5.1 del

Cap. 3), y por tanto, el resto de material existente por debajo de tal cota

no debera influir, se ha intentado verificar tambin experimentalmente

tal hiptesis, comprobando si existe alguna influencia del espesor de

materiales bituminosos por debajo de la fisura. Para ello se han ensayado

probetas con alturas h=60 mm y h=150 mm (y con h=80 mm en el caso delas medidas de la influencia de la macrotextura superficial).

6) Presencia de capas despegadas por debajo del punto ms profundo de lafisura. Se ha estudiado, en primer lugar, la situacin en que la fisura no

alcance la profundidad de la interfase entre las capas despegadas.

Tericamente, en esta situacin la profundidad de dicha interfase no

debera influir en la propagacin de los ultrasonidos. En segundo lugar se


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analiza el caso de que la fisura descendente alcance dicha interfase,

distinguindose entonces dos situaciones:

Que las capas se encuentren despegadas, en esta situacin se ha

comprobado, como era previsible, que no hay transmisin del pulso por

lo que ningn instrumento de ultrasonidos puede medir;

Que exista adherencia perfecta entre ambas capas mediante una emulsinbituminosa, en este caso, se ha comprobado experimentalmente que hay

transmisin de los ultrasonidos a travs de la interfase.

7) Presencia de agua o algn material de relleno en el interior de la fisura.Dado que los ultrasonidos no pueden propagarse bien por el aire pero s

por materiales con mayor densidad y mdulo (o viscosidad en el caso de

fluidos), se ha estudiado tambin la posibilidad de existencia de algn

tipo de relleno que pueda ser frecuente (y pueda modificar notablementeel comportamiento de los ultrasonidos en presencia de una grieta

vertical) en las fisuras de un pavimento, analizndose los casos de fisuras

rellenas de agua y de arena fina saturada.

8) Efecto de la macrotextura y caractersticas de la superficie de la mezclabituminosa. Los ensayos realizados con ultrasonidos sobre probetas de

laboratorio se han efectuado apoyando los transductores sobre

superficies lisas procedentes del corte con sierra radial de las probetas

para configurarlas con la geometra establecida. Con objeto de verificar la

posible influencia de las caractersticas de esta superficie (y adems

poder comparar las mediciones realizadas en laboratorio con lasmediciones in situ sobre pavimentos en servicio) se ha realizado

adicionalmente un estudio comparativo sobre probetas especiales

fisuradas tanto en cara lisa como en cara rugosa, con objeto de detectar

posibles diferencias.

9) Efecto de la excentricidad de la posicin de los trans ductores con

relacin a la fisura.

Las medidas realizadas con ultrasonidos con la alineacin de

transductores perpendicular a la direccin en planta de la fisura suelen

realizarse colocando dichos transductores en posicin simtrica con

relacin a aqulla. Sin embargo, generalmente tal colocacin se realiza de

forma estimativa a simple vista sin ningn tipo de medicin previa. Por

ello, se ha estudiado tambin la influencia que puede tener la

excentricidad de la posicin de los transductores con relacin a la fisura,

a fin de verificar si la colocacin de stos debera hacerse de una manera

ms precisa o por el contrario tiene poca influencia en los resultados.


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MTODOS INVASIVOS

EXTRACCION DE TESTIGOS

Campaa de extraccin de testigos en el tramo afectado y en el no afectado

cuando exista. Se extraan testigos que afectaran a la fisura, para constatar si

la fisura era descendente o ascendente, su profundidad y las capas afectadas, as

como testigos cercanos a la fisura, pero no afectados por ella, de modo que

pudieran ensayarse dichos testigos mediante ensayos mecnicos sin que el

resultado se viese afectado por una fisura preexistente. En el tramo afectado el

patrn de la campaa de testigos era similar en ubicacin de los taladros,

aunque sin fisura, naturalmente.

Estudio de la mezcla bituminosa de los testigos de rodadura: densidad aparente(UNE-EN 12697-6), contenido de ligante (UNE-EN 12697-1 y UNE-EN 12697-3),

granulometra de los ridos recuperados (UNE-EN 933-1) y resistencia a

traccin indirecta (UNE-EN 12697-23). Para el estudio el testigo de rodadura se

serr en laboratorio, distinguindose as una semi capa superior y una semi

capa inferior, cada una de ellas de la mitad de espesor que la rodadura original.

Con ello se pretendan analizar por un lado las caractersticas de los

centmetros superiores de rodadura, ms expuestos a los agentes

meteorolgicos, y por otro la zona del fondo de capa de rodadura.

- Estudio del betn recuperado de los testigos: penetracin (UNE-EN 1426),

temperatura de reblandecimiento (UNE-EN 1427), mdulo de cizallamiento yngulo de desfase (UNE-EN 1470) y temperatura de fragilidad Fraass (UNE-EN

12593). Se analizaron independientemente el betn extrado de la semicapa

superior y de la semicapa inferior de rodadura para establecer las

caractersticas del ligante recuperado a distintas profundidades de la capa de

rodadura.


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Esquema de localizacin de los testigos extrados en el tramo afectado y el no afectado.

Tipos de testiguaras

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