Chile:
MBT International Underground Construction Group
MBT Chile
Colombia:
MBT Colombia Región América:
Master Builders, Inc. Shotcrete & Underground Systems 23700 Chagrin Boulevard Cleveland, OH 44122-5554 EE. UU. Teléf.: 1-216-839-7500 Fax: 1-216-839-8827 Equipos:
MEYCO Equipment División de MBT (Suiza) S.A. Hegmattenstrasse 24 8404 Winterthur (Suiza) Teléf.: 41-52-244-0700 Fax: 41-52-244-0707
Calle 76 No. 13 – 27 Bogotá Teléf.: 57-1-217-3332 Fax: 57-1-321-7513 Ecuador:
MBT Concretesa Sosaya 133 y Ave. Americas Casilla 2515. Quito Teléf.: 593-256-6011 Fax: 593-256-9272 Peru:
MBT UNICON PERU
México:
Plácido Jiménez 958 Lima Teléf.: 511-385-1905 Fax: 511-385-2065
MBT México
Venezuela:
Blvd. M. Avila Camacho 80, 3er piso 53390 Naucalpán, Edo. de México Teléf.: 52-55-21-22-2200 Fax: 52-55-21-22-2201 Argentina:
MBT Argentina S.A. España 1651 Colectora Oeste – Ruta Panamericana Km 47,5 Buenos Aires (1625) Teléf: 54-34-88-43-3000 Fax: 54-34-88-43-2828
MBT Venezuela C.C. Libertador PH-3 C. Negrin y Av. Los Jabillos. Caracas Teléf.: 582-212-762-5471/ 75 Fax: 582-212-761-7001 España:
Bettor MBT, S.A.
Brasil:
Duero, 23 Polígono Industrial Las Acacias 28840 Mejorada del Campo (Madrid) Teléf.: 34-91-668-0900 Fax: 34-91-668-1732
MBT Brasil
Bettor MBT, S.A.
Avenida Firestone 581 09290-550 Santo André São Paulo Teléf.: 55-11-4478-3118 Fax: 55-11-4479-0338
Basters 13 –15 08184 Palau de Plegamans (Barcelona) Teléf.: 34-93-862-0000 Fax: 34-93-862-0020
Tom Melbye
División de MBT (Suiza) S.A. Vulkanstrasse 110 8048 Zurich (Suiza) Teléf.: 41-1-438-2210 Fax: 41-1-438-2246
Nucleo Empresarial ENEA Rio Palena 9665 Pudahuel, Santiago de Chile Teléf.: 56-2-444-9760 Fax: 56-2-444-9761
SHOTCRETE PARA SOPORTE DE ROCAS
Mundial / Región Europa:
SHOTCRETE PARA SOPORTE DE ROCAS Tom Melbye Director MBT International Underground Construction Group
SHOTCRETE PARA SOPORTE DE ROCAS Tom Melbye Director MBT International Underground Construction Group
Coautores:
Ross Dimmock Gerente técnico MBT International Underground Construction Group
Knut F. Garshol Ingeniero geológico M.Sc. MBT International Underground Construction Group
Agradecimiento
Los autores desean manifestar su sincero agradecimiento a varios colegas del Departamento de Construcciones Subterráneas de MBT por su colaboración y apoyo en la preparación de este documento, especialmente a Christian Krebs y Thomas Kurth (MEYCO Equipment).
Índice 1. 1.1 1.2 1.3 1.4
Introducción ¿Qué significa shotcrete? ¿Dónde se utiliza el shotcrete? Principios del shotcrete Diferencia entre los dos métodos
2. 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.2
Método por vía seca Composición de una mezcla seca Contenido de cemento Relación agua/cementante Contenido de humedad natural Aditivos Adiciones Fibras Comparación entre las mezclas preparadas en obra y el material predosificado Problemas del proceso de proyección de mezclas secas Conclusiones
15 15 15 15 16 16 18 18
Método por vía húmeda Razones del cambio al método por vía húmeda Economía Ambiente de trabajo Calidad Aplicación Ventajas Desventajas Resumen del método por vía húmeda Diseño de la mezcla para proyección por vía húmeda Microsílice Ventajas especiales del shotcrete con microsílice Agregados Aditivos: Plastificantes y superplastificantes Acelerantes de fraguado tradicionales Comportamiento químico de los acelerantes de aluminato durante el proceso de hidratación Silicatos sódicos modificados/water glass Campos de aplicación Dosificaciones típicas Acelerantes de shotcrete libres de álcalis Formación de polvo
23 24 24 24 25 25 26 26 27 27 28 28 29 31 34
2.3 2.4
© Copyright MBT International Underground Construction Group, Division of MBT (Switzerland) Ltd., 1994 Este documento es propiedad exclusiva de MBT International Underground Construction Group, Division of MBT (Switzerland) Ltd., con domicilio social en 8048 Zurich (Suiza), Vulkanstrasse 110. Prohíbida la reproducción total o parcial de este documento mediante cualquier sistema, sin la autorización por escrito de MBT International Underground Construction Group, Division of MBT (Switzerland) Ltd. El incumplimiento de esta prohíbición puede conducir a acciones legales. Basado en la novena edición de la versión original inglés «Sprayed Concrete for Rock Support», 2001. Segunda edición, enero de 2002, 2000 copias.
3. 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2 3.3 3.4 3.5 3.5.1 3.5.1.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.5.4.1 3.5.4.2 3.5.4.3 3.5.4.4 3.5.5 3.5.5.1
9 9 11 11 13
19 20 22
35 39 40 40 41 42
3.5.5.2 3.5.5.3 3.5.5.4 3.5.5.5
Terminología confusa: ¿«no cáustico»? ¿«libre de álcalis»? Acelerantes líquidos no cáusticos libres de álcalis Acelerantes sin álcalis en polvo MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170: Uso según el tipo de cemento 3.5.5.6 Comparación de las resistencias iniciales con acelerantes tradicionales de aluminato 3.5.5.7 Dosificación y equipos 3.5.5.8 Compatibilidad con otros acelerantes 3.5.5.9 Requisitos especiales para utilizar los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170 para proyección por vía húmeda 3.5.5.10 Resultados típicos de pruebas de campo 4.
4.3.5 4.3.6 4.4
Avances en la tecnología de aditivos para el shotcrete Sinopsis Delvo®crete Introducción Shotcrete fabricado por vía húmeda Dosificación y transporte del shotcrete fabricado por vía húmeda Control de la hidratación del cemento Propiedades Tiempos de fraguado Resistencias Rebote Economía Resumen Casos de estudio Curado interno del concreto Antecedentes Curado interno del concreto con MEYCO® TCC735 Tecnología comprobada Ventajas del curado interno del concreto con MEYCO® TCC735 Una solución más segura y económica Resultados de las pruebas de proyección Conclusión
5. 5.1 5.2 5.3 5.3.1
Refuerzo de fibras ¿Por qué es necesario reforzar el concreto? Comportamiento de las fibras metálicas en el shotcrete Clases de fibras Fibras de vidrio
4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.2.8 4.2.9 4.2.10 4.2.11 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4
44 45 49 50 52 54 57 57 58
81 81 81 82 84 85 87 90 90 91 92 93 96 96 101 102 103 104 105 105 106 108 109 109 110 111 111
5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.4 5.5 5.6.
Fibras sintéticas Fibras de carbono Fibras metálicas Ventajas técnicas de las fibras metálicas Ventajas económicas de las fibras metálicas Diseño de la mezcla para el shotcrete reforzado con fibra metálica
111 113 113 113 116 116
6. 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11
Durabilidad del shotcrete Diseños construibles Especificaciones y guías Aptidud del equipo de construcción Diseño de la mezcla de shotcrete Nuevos aditivos acelerantes libres de álcali Estabilidad química de los nuevos acelerantes Durabilidad del refuerzo de fibra metálica Requisitos de aplicación Conclusión Ejemplo de C-45 Efectos de utilizar diferentes diseños de mezclas
118 119 120 120 121 122 123 124 124 124 125 126
7. 7.1 7.1.1 7.1.1.1
127 127 127
7.1.1.2 7.1.1.3 7.1.2 7.1.2.1 7.1.2.2 7.2 7.2.1 7.2.1.1 7.2.2 7.2.3 7.3 7.4 7.5 7.5.1 7.5.2
Equipos Aplicación manual Equipos/sistemas para la proyección por vía seca Principios de funcionamiento (MEYCO® Piccola, MEYCO® GM) Avances Sistemas integrados para aplicación manual Equipos/sistemas para la proyección por vía húmeda Avances Sistemas integrados para aplicación manual Proyección mecanizada Brazos de proyección Brazos de proyección asistidos por computadora Sistemas móviles de proyección Ventajas de la proyección mecanizada Sistemas de dosificación Sistemas de boquilla Sistemas para mediciones del desarrollo de resistencia Aguja de penetración Prueba de adherencia (pull-out)
8. 8.1
Diseño de soporte de rocas Mecanismos activos del shotcrete sobre roca
147 151
127 129 129 130 130 133 134 134 138 140 142 143 143 145 145 145
8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8
Shotcrete sobre roca diaclasada Shotcrete sobre roca blanda o fisurada Fundamentos de mecánica de rocas Método NATM Propiedades importantes del shotcrete para soporte de roca Refuerzos Métodos de soporte de túnel
9.
9.9 9.10 9.10.1 9.10.2 9.11 9.12 9.12.1 9.12.2 9.13 9.14 9.14.1 9.14.2 9.14.3
Revestimientos permanentes de shotcrete para túneles 165 Desarrollo de los revestimientos permanentes con shotcrete para túneles 165 Relación coste/eficacia de los revestimientos de túneles de una pasada 166 Opciones de SPTL 166 Geometría del túnel 168 Refuerzos del revestimiento 168 Varillas de refuerzo y mallas electrosoldadas 168 Refuerzos de fibras metálicas 169 Fortificaciones 171 Juntas de construcción relacionadas con la secuencia de excavación 172 Método SPTL de dos capas: juntas de construcción de la segunda capa 173 Método SPTL de dos capas: primera y segunda capa 174 Acabado superficial 176 Nivelación y alisado con llana 176 Sistemas de revestimientos 177 Durabilidad del shotcrete 178 Recomendaciones para la construcción 178 Requisitos de aplicación 178 Pautas de selección en sistemas modernos de aplicación 181 Sistemas de manejo de riesgo 181 Aumento de la estanqueidad con membranas proyectables 183 Túneles de SPTL sujetos a filtraciones potenciales de agua 184 Túneles SPTL con acceso activo de agua 185 Rehabilitación de túneles 185
10. 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5
Guía de aplicación del shotcrete Preparación del substrato Técnicas de proyección generales Menos rebote, más calidad Proceso por vía húmeda y brazos de proyección robotizada Destreza del operario
9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.5.1 9.5.2 9.6 9.7 9.8
152 154 155 158 160 162 163
187 187 189 191 195 196
11. 11.1 11.2
Tiempo y economía Ejemplo de cálculo Conclusiones
198 198 199
12.
Aplicaciones futuras del shotcrete
200
Referencias
202
Apéndice «Especificaciones particulares para el shotcrete»
205
Capítulo 1 Introducción La creatividad del hombre surge de su deseo natural de conocer y de su capacidad de aprender. Los exploradores y los descubridores poseen estos rasgos en dosis extremas: movidos por una curiosidad a toda prueba, se atreven a ir más allá de los bordes de lo conocido, a explorar la naturaleza de las cosas, a buscar los vínculos que conectan ideas, hechos, concepciones, a ver las cosas desde una luz diferente, a cambiar las percepciones de la humanidad. Un hecho bien conocido de la industria de la construcción – y en particular de la industria de la construcción subterránea – es que no hay un proyecto que sea igual a otro. Cada uno está acompañado por una verdadera maraña de parámetros y circunstancias que generan un grado de complejidad superior al de otras industrias, obligando a contratistas y a abastecedores a trabajar con una mente sumamente flexible. El shotcrete posee ventajas enormes en su calidad de proceso de construcción y de soporte de rocas; ello, sumado al avance logrado en materiales, equipos y conocimientos de aplicación, ha hecho de esta técnica una herramienta muy importante y necesaria para los trabajos de construcción subterránea. En particular, la tecnología moderna de shotcrete por vía húmeda ha ampliado el campo de trabajo de la construcción subterránea. Proyectos que en el pasado eran imposibles de llevar a cabo, son ahora viables. Independientemente del tipo de terreno, hoy en día es posible aplicar esta tecnología en cualquier condición.
1.1
¿Qué significa shotcrete?
El shotcrete (mortero, o «gunita») comenzó a utilizarse hace casi 90 años. Los primeros trabajos con shotcrete fueron realizados en los Estados Unidos por la compañía Cement-Gun (Allentown, Pensilvania) en 1907. Un empleado de la empresa, Carl Ethan Akeley, necesitaba una máquina que le permitiera proyectar material sobre mallas para construir modelos de dinosaurios, e inventó el primer dispositivo creado para proyectar materiales secos para construcciones nuevas.
9
Cement-Gun patentó el nombre «Gunite» para su mortero proyectado, un mortero que contenía agregados finos y un alto porcentaje de cemento.
1.2
La gran cantidad de ventajas que tiene el shotcrete como proceso de construcción, y los avances logrados en equipos, materiales y conocimientos, lo han convertido en una herramienta importante para una variedad de trabajos.
Hoy en día todavía se utiliza el nombre «gunita». En ciertas clasificaciones equivale al mortero proyectado, pero los límites de tamaño de grano varían (según el país, la definición del límite para el agregado máximo es de 4, 5, o incluso hasta 8 mm). Para evitar esta confusión entre mortero proyectado y shotcrete, en este libro utilizaremos la expresión «shotcrete» (o gunita) para referirnos a la mezcla proyectada de cemento y agregados.
Se aplica shotcrete para resolver problemas de estabilidad en túneles y en otras construcciones subterráneas. Además, hoy en día esta técnica es un factor clave para el soporte de rocas en aplicaciones tales como: • Construcción de túneles • Operaciones mineras • Hidroeléctrica • Estabilización de taludes
Actualmente existen dos métodos de aplicación para el shotcrete: el proceso de vía seca y el de vía húmeda. Las primeras aplicaciones del shotcrete se hicieron mediante la vía seca; en este método se coloca la mezcla de cemento y arena en una máquina, y la misma se transporta por mangueras mediante la utilización de aire comprimido; el agua necesaria para la hidratación es aplicada en la boquilla.
Más del 90 % de todo el shotcrete es utilizado para soporte de rocas. Actualmente el uso del shotcrete es menos frecuente que el del concreto tradicional; sin embargo, este material ofrece la posibilidad de una gran variedad de aplicaciones, entre ellas: • Recubrimientos de canales • Reconstrucción y reparaciones • Pantallas marinas • Concreto refractario • Protección contra incendio y anticorrosiva • Construcciones nuevas • Agricultura (pozos de estiércol) • Mampostería y estabilización de muros de ladrillo
El uso del método por vía húmeda comenzó después de la Segunda Guerra Mundial. A semejanza del concreto ordinario, se preparan las mezclas con toda el agua necesaria para hidratarlas, y se bombean en equipos especiales a través de las mangueras. La proyección del material se efectúa mediante la aplicación de aire comprimido a la boquilla. Si bien algunas personas afirman que el shotcrete es un concreto especial, lo cierto es que no es sino otra manera más de colocar el concreto. Al igual como ocurre con los métodos tradicionales de colocación, el shotcrete requiere ciertas características particulares del concreto durante la colocación, y al mismo tiempo requiere satisfacer todas las demandas tecnológicas normales del concreto – relación agua/cementante, cantidad de cemento, consistencia correcta y postratamiento. En el mundo entero abundan trabajos de shotcrete de mala calidad debido a que la gente se olvida de que el shotcrete no es sino otra manera de colocarlo, y de que es fundamental cumplir con todos los requisitos tecnológicos del concreto. Los equipos para la ejecución de ambos métodos (vía húmeda y vía seca) han mejorado de manera significativa. En un capítulo aparte se describirán los últimos avances de la tecnología.
¿Dónde se utiliza el shotcrete?
El shotcrete es el método de construcción del futuro debido a sus características de flexibilidad, rapidez y economía. ¡El único límite para su uso es la imaginación del hombre!
1.3
Principios del shotcrete
Usuarios importantes de shotcrete han adquirido el conocimiento de la técnica a través de experiencia práctica, investigación y desarrollo. Igualmente, el desarrollo de equipos y métodos de control ha conducido a una producción racional y a una calidad más uniforme del
10
11
producto. Desde un punto de vista internacional, podemos decir sin equivocación que hemos logrado grandes avances desde los tiempos en los que se utilizaba shotcrete para estabilizar rocas; sin embargo, también hay que reconocer que estamos atrasados cuando lo utilizamos para proyectos de construcción y reparación. La razón de este retraso no tiene una explicación sencilla. El conocimiento existe, pero no se emplea totalmente.
1.4
Diferencia entre los dos métodos
Hay dos métodos de shotcrete: seco (al que se le añade el agua de hidratación en la boquilla de proyección), y húmedo (aquel en el que las mezclas transportadas contienen ya el agua necesaria para la hidratación). Ambos métodos tienen sus ventajas y desventajas, y la selección de uno u otro dependerá de los requisitos del proyecto y de la experiencia del personal encargado de ejecutarlo. Ambos serán empleados en la industria de la construcción del futuro.
Figura 1: Proyección a control remoto Las regulaciones actuales imponen demandas tecnológicas en las personas que hacen el trabajo de proyección, y los requisitos actuales han conducido a una mejor capacitación del personal. Asimismo, en los últimos años ha aumentado el número de contratistas especiales; todo ello ha redundado en aplicaciones de mejor calidad. Sin embargo, la falta de conocimientos supone riesgos de trabajos deficientes; éste es el caso particular de proyectos menores para los cuales los contratistas carecen de experiencia en shotcrete. Tales problemas pueden eliminarse estableciendo requisitos más estrictos en competencia, experiencia previa, personal capacitado y conocimiento sobre concreto, y exigiendo las autorizaciones pertinentes. El contratista debe exigir un documento de autorización para shotcrete que tenga una validez general, tal como el que existe para colocación y armadura (similar al de la Asociación de Shotcrete del Reino Unido). 12
Figura 2: La máquina MEYCO® Suprema ofrece una proyección sin pulsaciones y un sistema de control computarizado (con controlador lógico programable). Hasta hace pocos años, el método más utilizado era el de proyección por vía seca, pero hoy en día la tendencia ha cambiado, especialmente en shotcrete para soporte de rocas. El método dominante del futuro será el de proyección por vía húmeda debido a que ofrece un mejor ambiente de trabajo, mayor calidad, uniformidad y producción. Los desarrollos en la tecnología del shotcrete están relacionados con el proceso de vía húmeda. Entre algunos ejemplos de desarrollos recientes figuran la adición de nuevas generaciones de adiciones (Delvo®crete, MEYCO® TCC, curador interno de concreto, microsílice y fibras metálicas).
13
Capítulo 2 Método por vía seca 2.1
Composición de una mezcla seca
2.1.1
Contenido de cemento En la fabricación de la mezcla seca se utiliza usualmente una proporción de cementante que varía entre 250 y 450 kilogramos por 1000 litros de agregado, o entre 320 y 460 kilogramos por metro cúbico de concreto. Para estimar el contenido real de cemento del shotcrete aplicado, es necesario considerar el rebote. El principal efecto del rebote es la pérdida del agregado de mayor tamaño, que conduce a un aumento del contenido de cemento si se lo compara con la mezcla inicial. En una mezcla regular de 350 kg de cemento por m3, un rebote del 20 % se traduce aproximadamente en 400 kg de cemento por m3 de shotcrete.
Figura 3: La máquina MEYCO® Piccola sobresale por su robustez, simpleza de operación y adaptabilidad a las condiciones específicas de la obra. Actualmente, un 70 % del shotcrete se aplica mediante vía húmeda, mientras que el 30 % restante se aplica por vía seca. En algunas regiones del mundo predomina el método por vía húmeda (casi 100 % en Escandinavia e Italia). Hoy en día se aplican en el mundo entero más de 8 millones de m3 al año. 2.1.2
Relación agua/cementante La relación agua/cementante tiene una influencia fundamental en la calidad del shotcrete. El agua total utilizada en la mezcla seca se compone del agua de mezcla añadida en la boquilla y la humedad ya presente en el agregado. A diferencia de la proyección por vía húmeda, en la proyección por vía seca no hay un valor definido para la relación agua/cementante debido a que el operario de la boquilla es quien controla y regula la cantidad del agua de mezcla; generalmente, esto es una gran desventaja. No obstante, en la práctica el factor agua/cementante es bastante constante debido a que el alcance de la variación es limitado: si se agrega muy poca agua, se crea inmediatamente un exceso de polvo; si se agrega demasiada agua, el shotcrete no se adherirá a la superficie. Si se utiliza una técnica correcta, el factor agua/cementante varía sólo ligeramente y permanece por debajo de 0,5. En el mejor de los casos (agregados que requieran una baja cantidad de agua, suficiente contenido de cemento), es incluso posible fabricar shotcrete con una relación inferior a 0,4.
14
15
2.1.3
Contenido de humedad natural Otro aspecto importante de la mezcla seca es el contenido de humedad natural. Cuando la mezcla está demasiado seca, la proyección produce una cantidad excesiva de polvo; por otra parte, si el contenido de humedad es demasiado alto, el rendimiento de shotcrete disminuye drásticamente, y las maquinarias y las mangueras transportadoras se taponan. El contenido de humedad natural óptimo debe oscilar entre el 3 y el 6 por ciento. Además de las mezclas hechas en el sitio, en los últimos años se ha tendido a utilizar materiales secos que llegan al sitio de trabajo empacados en sacos o silos, los cuales, por supuesto, no contienen humedad natural. Para reducir la formación de polvo, es aconsejable hidratar el material seco antes de introducirlo en la maquinaria de proyección, y para ello existen dispositivos alimentadores de diseño especial o boquillas de prehumidificación.
2.1.4
Aditivos Existen varios aditivos cuya función es controlar las propiedades del shotcrete. Entre los más importantes figuran los acelerantes de fraguado; estos aditivos reducen el tiempo de fraguado. El shotcrete exhibe un fraguado más rápido y una resistencia inicial mayor, lo cual permite aplicar capas subsecuentes de shotcrete con mayor rapidez y en espesores mayores. En proyectos de gran escala, los acelerantes contribuyen a aumentar la productividad y son un prerrequisito importante para muchas aplicaciones; como ejemplo, en trabajos de construcción subterránea, la resistencia inicial del shotcrete es un factor esencial. Tal como es bien conocido en la tecnología de construcción, acelerar la hidratación del cemento lleva a una reducción de la resistencia a los 28 días. Por tanto, para obtener resultados de alta calidad en el shotcrete, es crítico añadir la menor cantidad posible del acelerante y hacerlo de manera uniforme. En cada caso debe determinarse la proporción de acelerante según la cantidad de cemento utilizado. Hay acelerantes líquidos y acelerantes en polvo; estos últimos (p. ej., el acelerante libre de álcalis MEYCO® SA545) son añadidos durante la alimentación del material al equipo de proyección. Desdichadamente, en muchas partes aún se agrega el polvo a 16
mano, lo cual imposibilita garantizar dosificaciones exactas y usualmente conduce a una sobredosis masiva distribuida de manera desigual. Varios estudios han demostrado que la resistencia final del material sufre una reducción del 35 % o más si se lo compara con el concreto base (es decir, sin acelerante). Por tanto, la dosificación manual debe hacerse únicamente en casos excepcionales, o para aplicaciones de shotcrete cuyos requisitos de calidad no sean estrictos. Los dispositivos alimentadores utilizados en combinación con aparatos de dosificación en polvo ayudan a obtener una mayor precisión. Para óptimos resultados se utilizan tornillos sinfín de alimentación, equipados con un dosificador de eje (p. ej., el instrumento MEYCO® Rig 016). No se recomienda utilizar alimentadores de correa transportadora. Los materiales empacados y modificados de forma apropiada podrían ser una solución conveniente al problema de dosificación. Sin embargo, con frecuencia y especialmente en proyectos grandes, resultan excesivamente costosos. La mejor forma de garantizar una dosificación precisa del acelerante durante la aplicación es utilizar productos líquidos (tales como el acelerante libre de álcalis MEYCO® SA160), los cuales son medidos en el agua de mezcla y agregados al material seco en la boquilla. Sin embargo, para obtener una dosificación constante es esencial utiizar un sistema de dosificación apropiado, incluso con acelerantes líquidos. Cuando se requiere mezclar previamente el agua y los acelerantes, las máquinas son apropiadas sólo hasta cierto punto. Dado que la relación agua/acelerante es fija, se altera la dosificación según el peso del cemento cada vez que el operario de la boquilla ajusta la incorporación de agua. Sin embargo, es necesario ajustar la cantidad de agua, por ejemplo, para responder a variaciones en la humedad natural del agregado o en el comportamiento del flujo de agua en la superficie. Las bombas de pistones garantizan obtener una proporción constante cemento/acelerante. Estas bombas miden una cantidad constante del aditivo, proporcional a la capacidad de la máquina de proyección, independientemente del ajuste del caudal de agua (p. ej., MEYCO® Mixa). En comparación con los acelerantes de polvo, los líquidos tienen más ventajas porque eliminan el problema de componentes cáusti17
cos en el polvo de rociado. La dosificación en la boquilla previene el fraguado instantáneo. Dada la mezcla uniforme con el material de proyección, es posible medir los acelerantes líquidos de una manera más económica, lo cual también puede llevar a mayores resistencias finales. La experiencia ha demostrado que, en comparación con el concreto básico, la pérdida de resistencia final del material acelerado puede ser inferior al 25 %. Aparte de los acelerantes, los otros aditivos utilizados en el proceso de proyección seco son los aglomerantes de polvo, los cuales reducen la formación de polvo. Sin embargo, se utilizan poco.
2.1.5
Adiciones A diferencia de los aditivos químicos, el efecto de las adiciones es principalmente físico. Entre las más conocidas figuran los rellenos minerales conocidos como microsílice (o humos de sílice), cuya importancia ha crecido dentro de la industria. Estas sustancias finas (superficie de 20 – 35 m2/g) con una proporción de SiO2 que varía entre el 65 y el 97 %, según la calidad del producto, conducen a una importante mejora en la calidad del shotcrete, que se manifiesta en mayor resistencia a la compresión y mayor densidad. Debido a la mejor adherencia, es posible colocar capas más gruesas incluso sin tener que utilizar acelerantes. La microsílice tiene otro efecto interesante en el método por vía seca. Al añadirse de manera apropiada, su uso puede también conducir a una reducción del rebote hasta del 50 %. Elkem ha desarrollado una tecnología especial para añadir a la boquilla una pasta de 50 % (dosificada en el agua). Si bien el sistema de pasta es muy eficaz, es también bastante complicado porque requiere una bomba dosificadora especial (p. ej., MEYCO® Mixa) y un producto adicional en cantidades elevadas. La pasta debe almacenarse siguiendo las indicaciones, y usualmente se requiere un agitador.
2.1.6
Fibras La incorporación de fibras sintéticas o metálicas al shotcrete lleva a una mayor energía de rotura o menor retracción del material. El uso de fibras metálicas es poco frecuente en las mezclas secas en comparación con su uso en mezclas húmedas, y la razón es el 18
mayor rebote (>50 %) experimentado por el material en el caso de mezclas secas; tal cosa hace que la relación costo/rendimiento sea crítica. Sin embargo, gracias a la experiencia adquirida durante los últimos años y a las posibilidades presentes de reducir el rebote, se espera que el uso de fibras metálicas aumente con las mezclas secas.
2.2
Comparación entre las mezclas preparadas en obra y el material predosificado
Tal como ya se ha mencionado, el proceso seco permite utilizar mezclas con agregados con humedad natural o agregados secados al horno. Los primeros son más económicos y producen menos polvo; no obstante, su contenido de humedad natural es suficiente como para comenzar una hidratación prematura. Por tal razón, las mezclas de agregados con humedad natural tienen una vida de almacenamiento limitada y deben utilizarse en un tiempo no mayor de 2 horas. Un almacenamiento prolongado provoca mayor rebote y disminución de las resistencias finales. La fabricación de la mezcla seca en el sitio de trabajo supone la instalación de las plantas de dosificación y alimentación. Claramente, instalaciones como éstas sólo se justifican en proyectos importantes o a gran escala. En caso de proyectos de shotcrete de menor escala o a corto plazo, la mezcla seca puede obtenerse ya preparada en planta; esto puede generar problemas debido a la distancia de transporte y a la incertidumbre de una entrega segura. Es importante planificar cuidadosamente la entrega y colocación a fin de evitar retrasos e interrupciones del trabajo debido a suministros inadecuados. Los materiales ensacados o en silos permiten la máxima flexibilidad posible: debido a que pueden almacenarse durante largos períodos de tiempo, la planificación se simplifica. Además, se caracterizan por una calidad constante. Entre sus desventajas podemos citar su mayor tendencia a formar polvo (lo cual puede ser controlado por prehumidificación), y su precio considerablemente mayor. El desarrollo de sistemas de control de hidratación tales como Delvo®crete ha posibilitado prolongar la vida de almacenamiento de mezclas de agregados con humedad natural. Al agregar el estabilizador Delvo®crete durante la fabricación, la mezcla permanece fresca e inalterada. El activador líquido Delvo®crete es añadido en el 19
2.3
momento de la aplicación (se agrega como un acelerante líquido), y simultáneamente vuelve a activar la hidratación del cemento y actúa como un acelerante. Por tal motivo, cuando se utiliza Delvo®crete no es necesario cambiar la técnica ni el equipo.
apropiada del material seco en la boquilla. Dependiendo del sistema, la presión hidráulica aumenta hasta aproximadamente 80 bar. Sin embargo, tales aparatos son costosos y tienden a fallar. Nuestra experiencia indica que los sistemas con 10 a 15 bar son adecuados.
El sistema Delvo®crete para el control de la hidratación permite almacenar las mezclas hasta por tres días, lo cual ofrece más flexibilidad y menos costos que los materiales ensacados.
Además de la formación de polvo en la boquilla, es necesario también prestar atención al efecto que tiene el polvo del sistema de alimentación sobre la máquina. En este particular, las máquinas tradicionales de doble cámara o la versión moderna de la Sch¸renberg (SBS) son ventajosas. Sin embargo, las máquinas de rotor pueden ser condicionadas a prueba de polvo hasta cierto punto o incluso totalmente si se les acopla un recolector de polvo o si se hace una lubricación continua de los empaques de caucho (lubricación intermitente).
Problemas del proceso de proyección de mezclas secas
Todo proceso tiene sus desventajas; las del método por vía seca son sus costos operativos relativamente superiores debido al desgaste y daños en las máquinas de rotor, especialmente en los empaques de caucho y los discos de fricción. 1 = Tolva de alimentación 2 = Rotor 3 = Salida p = Aire comprimido
Figura 4: Principio de rotor de una máquina de proyección en seco típica (MEYCO® GM, MEYCO® Piccola) Para mantener estos costos dentro de límites razonables, es necesario configurar bien las máquinas, hacer cambios oportunos de piezas y utilizar procedimientos adecuados de pulverización. Otra desventaja es la formación de polvo, pero el mismo puede reducirse procurando un contenido favorable de humedad natural (o prehumidificación adecuada) y utilizando aglomerantes de polvo. También se pueden utilizar bombas de cebado de presión de agua, las cuales intensifican la presión de agua durante la mezcla en la boquilla. Si se usan en combinación con el uso de anillos de agua mejorados, es posible garantizar una humidificación constante y 20
Otra manera de obturar totalmente una máquina de rotor es incorporando un sistema de abrazadera hidráulica (p. ej., tal como en el caso del sistema MEYCO® Unica). El motor se sella con un manguito, y la presión de fijación es ajustada automáticamente a la presión de alimentación. Este sistema garantiza una presión de fijación correcta (incluso en el caso de obstrucciones o de distancias de alimentación extremas), garantizando así que la máquina permanezca sellada. Asimismo, este nuevo sistema de fijación reduce significativamente no sólo los costos resultantes del desgaste sino también la cantidad de aire comprimido requerido (reducción aproximada del 25 %). Otro problema importante del proceso de proyección en seco es el rebote relativamente alto. Según la superficie de aplicación en cuestión (vertical o en clave), se pierde entre un 15 y un 35 % del concreto. La pérdida promedio es del 20 al 25 %, comparada con 5 a 10 % con el proceso de proyección por vía húmeda. Para reducir el rebote de una manera significativa, se pueden utilizar las nuevas clases de adiciones y aditivos mencionados anteriormente. El uso de microsílice o de sistemas de control de la hidratación tales como Delvo®crete puede ayudar, y la pérdida promedio puede reducirse hasta un 15 %, lo cual es comparable con los resultados obtenidos con el proceso de proyección por vía húmeda. Frecuentemente se cita una desventaja adicional: el bajo rendimiento del equipo. No obstante, las máquinas modernas permiten aplicar más de 10 m3/h; esto es algo que indudablemente no es posible lograr con aplicación manual, sino con el uso de un brazo robotizado. 21
Sin embargo, dado el aumento en los costos de desgaste, una producción superior a 8 m3/h resulta crítica desde el punto de vista económico.
2.4
Conclusiones
Gracias a los muchos años de experiencia en el proceso de proyección en seco, existe hoy en día un gran conocimiento sobre la técnica. Es sumamente importante asegurarse de seleccionar materiales, equipos y técnicas de aplicación que puedan combinarse de la mejor manera posible para alcanzar resultados satisfactorios tanto en calidad como economía. El proceso en seco es el más antiguo de los dos procesos de proyección. Los continuos desarrollos en las maquinarias y en la tecnología de materiales han permitido ampliar su campo de aplicación. En un futuro se espera que siga desempeñando un papel importante, dadas las ventajas y las oportunidades disponibles hoy para solventar las desventajas tradicionales. Las aplicaciones principales serán proyectos de volúmenes relativamente pequeños o que requieran gran flexibilidad (p. ej., reparaciones), o con largas distancias de transporte.
Capítulo 3 Método por vía húmeda Tal como se mencionó anteriormente, este método es el único utilizado en Escandinavia, Italia y en un gran número de importantes proyectos subterráneos en todo el mundo. El uso del shotcrete para aplicaciones de soporte de rocas ha aumentado en forma exponencial en los últimos 15 a 20 años, lo cual ha impulsado un intenso desarrollo del mismo. Entre 1971 y 1980 se produjo un desarrollo impresionante del método por vía húmeda en Escandinavia, con consiguiente transformación total de su mercado de shotcrete: se pasó de 100 % de vía seca a 100 % de vía húmeda, y la aplicación pasó de manual a robótica. Este cambio radical ocurrió sólo en Noruega. Desde aproximadamente 1976 – 1978 se han venido agregando cada vez más el humo de sílice y la fibra metálica al shotcrete fabricado por vía húmeda. Sin duda alguna los noruegos llevan la delantera en la tecnología del shotcrete fabricado por vía húmeda, tanto en teoría como en práctica. La mala fama de la técnica de proyección por vía húmeda se debe a los deficientes equipos utilizados y al poco conocimiento del método, factores que han acarreado la producción de un concreto de muy baja calidad. Para que la mezcla pudiera pasar por el equipo, se utilizaban contenidos muy altos de agua, con una relación de agua/cementante hasta de 1,0. Gracias a la tecnología de la industria del concreto actual, hoy en día es totalmente factible producir shotcrete por vía húmeda que tenga una resistencia a la compresión a los 28 días superior a 60 MPa. Actualmente la tecnología se utiliza también en la construcción de nuevas edificaciones (en vez del método de colocación original) y en la reparación de plataformas petroleras en el Mar del Norte. Esto es una prueba fehaciente de la alta calidad del método, dados los estrictos requisitos que deben cumplir los métodos y los materiales utilizados en la construcción submarina.
22
23
3.1
Razones del cambio al método por vía húmeda
El método por vía húmeda mejoró significativamente las condiciones del ambiente de trabajo, trayendo consigo mayor seguridad para los trabajadores de túneles.
No se sabe por qué el cambio sucedido en Escandinavia no ha ocurrido en ningún otro país. Quizás la explicación se encuentre analizando las condiciones noruegas.
3.1.1
Economía La capacidad de proyección ha aumentado considerablemente desde los tiempos de maquinarias/robots de mezclado en seco, hasta los robots de vía húmeda modernos. En un turno de 8 horas, la capacidad promedio de proyección del método por vía húmeda es usualmente de 4 a 5 veces mayor que la del método por vía seca. Si bien los costos de inversión en los nuevos robots de vía húmeda aumentaron significativamente, al mismo tiempo hubo una caída igualmente significativa del costo de colocación del shotcrete, y también disminuyó uno de los principales factores de costo, a saber: el tiempo de preparación por cada ciclo. Gracias a los sistemas robóticos integrados, la aplicación del shotcrete puede comenzar a los pocos minutos de la llegada de los equipos al frente. La introducción de los perforadores hidráulicos aumentó la capacidad de perforación en un 100 %. El aumento de la inversión se tradujo en menores tiempos por ciclo de perforación y explosión; por tanto, el costo del tiempo aumentó. El tiempo gastado en la operación de proyección tenía que disminuir lo máximo posible, y por tanto fue fundamental aumentar la capacidad de aplicación de shotcrete. Asimismo, la reducción del rebote en aproximadamente un 25 % tuvo importantes repercusiones económicas.
3.1.2
Una de las situaciones que impulsó el desarrollo del método por vía húmeda fue el lanzamiento de concreto bajo condiciones peligrosas. Los riesgos a la seguridad eran frecuentemente inaceptables sin un robot y sin utilizar fibras metálicas para refuerzo.
Ambiente de trabajo Los operarios del proceso por vía seca estaban acostumbrados a trabajar en medio de una gran cantidad de polvo. Se emitía polvo no sólo desde la boquilla, sino también desde la máquina de proyección. Como norma general, los resultados de las mediciones de polvo en el ambiente de trabajo eran más de tres veces la cantidad permisible.
24
3.1.3
Calidad Todavía se piensa equivocadamente que el método por vía húmeda no ofrece resultados de alta calidad. Lo cierto es que si se utilizan aditivos reductores de agua (baja relación agua/cementante) y microsílice, se pueden obtener resistencias a la compresión de hasta 100 MPa aplicando shotcrete por vía húmeda. A diferencia del método por vía seca, el de vía húmeda ofrece una calidad homogénea.
3.1.4
Aplicación Con el método húmedo se utiliza un concreto ya mezclado en planta de concreto o un mortero preenvasado. El concreto se prepara de la misma forma que el concreto normal. En cualquier momento del proceso es posible inspeccionar y controlar la relación agua/cementante (y por tanto, la calidad). La consistencia puede ser ajustada por medio de aditivos. Con el método de vía húmeda es más fácil producir una calidad constante a lo largo del proceso de proyección. La mezcla ya lista se descarga en una bomba y se transporta a presión a través de la manguera. Al principio se utilizaban principalmente bombas helicoidales; hoy en día predominan las bombas de pistón. En la boquilla del extremo de la manguera, se agrega aire al concreto a razón de 7 – 15 m3/min y una presión de 7 bars según el tipo de aplicación (manual o robot). El aire tiene la función de aumentar la velocidad del concreto a fin de lograr una buena compactación y adherencia a la superficie. Un error común que se comete con el método de vía húmeda es utilizar cantidades insuficientes de aire. Generalmente se agregan entre 4 y 8 m3/min, lo cual lleva a menores 25
resistencias a la compresión así como también adherencia deficiente y rebote. Para la proyección robotizada se requieren hasta 15 m3/min de aire.
3.4
Con la proyección robotizada de superficies suficientemente grandes por vía húmeda, es posible lograr (con un operario) una producción promedio de 60 – 100 m3 con rebote inferior al 10 %, en un turno de trabajo de 8 horas.
Además de aire, se añaden acelerantes de fraguado en la boquilla. Todavía hay quien cree que no es posible obtener concreto resistente a la congelación, y que los acelerantes de fraguado empeoran la adherencia del shotcrete. Los resultados de varios estudios, aunados a la experiencia práctica, demuestran que los acelerantes logran una mejor resistencia a la congelación debido a que producen un concreto más compacto y duradero; asimismo, mejoran la adherencia porque evitan el escurrimiento del concreto sobre el terreno, y éste se adhiere inmediatamente a la superficie.
3.2
A continuación se expone un resumen de las ventajas del método de vía húmeda en comparación con el de vía seca: • Rebote mucho menor. Con el uso de equipos apropiados y de personal capacitado, se obtienen pérdidas normales que oscilan entre 5 y 10 %, incluso para el caso de proyección de concreto reforzado con fibras. • Mejor ambiente de trabajo debido a la reducción del polvo. • Capas más gruesas gracias al uso eficiente de los materiales de mezcla. • Dosificación controlada del agua (relación agua/cementante constante y definida). • Mejor adherencia. • Mayor resistencia a la compresión, y uniformidad de resultados. • Producción muy superior, y por tanto más economía. • Uso de fibras metálicas y nuevos aditivos.
3.3
Desventajas
• • • •
Al comparar los métodos seco y húmedo, puede concluirse que el primero debe ser utilizado para aplicaciones de volúmenes pequeños (p. ej., reparaciones) y en condiciones muy especiales (distancias largas, interrupciones repetidas, etc.), mientras que el método por vía húmeda debe utilizarse en todo trabajo de soporte de rocas.
3.5
Ventajas
Distancia de transporte limitada (máx. 300 m). Mayores demandas en la calidad del agregado. Sólo se permiten interrupciones limitadas. Costos de limpieza.
26
Resumen del método por vía húmeda
Diseño de la mezcla para proyección por vía húmeda
Elementos necesarios para producir un buen shotcrete con el método por vía húmeda: • Cemento • Microsílice • Agregados • Aditivos • Acelerantes líquidos de fraguado, libres de álcalis • Fibras • Postratamiento • Equipo de proyección apropiado • Correcta ejecución de la técnica A continuación se mencionan aspectos individuales que pueden influir en la calidad del material obtenido. Tal como se mencionó anteriormente, el shotcrete tiene los mismos requisitos que el concreto normal utilizado en construcción, a saber: • Baja relación agua/cementante • Menos agua • Menos cemento • Buena capacidad de colocación Las diferencias entre las propiedades del concreto fresco y del endurecido son particularmente pronunciadas en el caso del shotcrete. Este hecho disminuye la calidad del shotcrete fabricado por vía húmeda; sin embargo, la diferencia puede controlarse con el uso de aditivos reductores de agua, microsílice y fibras. 27
3.5.1
• Mayor resistencia a la permeabilidad • Menos rebote • Mayor resistencia a los sulfatos
Microsílice Se considera que el humo de sílice (o «microsílice») es una puzolana muy reactiva con alta capacidad para fijar iones extraños, particularmente álcalis.
En el shotcrete reforzado con fibra, la adición de microsílice ofrece además: • Mayor facilidad de mezcla y distribución de las fibras • Menos rebote de las fibras • Mejoramiento del enlace entre la matriz de cemento y las fibras
La microsílice tiene un efecto de relleno; se cree que distribuye los productos de hidratación de manera más homogénea en el espacio disponible, produciendo así un concreto con menor permeabilidad, mayor resistencia a sulfatos y más durabilidad ante ciclos de congelación y deshielo.
Tal como se ha señalado, es importante siempre agregar microsílice al shotcrete.
Al analizar las propiedades del concreto con microsílice, es importante tener en cuenta que la microsílice puede utilizarse de dos maneras: • como reemplazo del cemento, para reducir el contenido de cemento (usualmente por razones de economía) • como adición para mejorar las propiedades del concreto, tanto fresco como endurecido.
Debido a la fineza de la microsílice, al agregarla al concreto se precisan dosis elevadas de un plastificante o superplastificante para dispersarla. La dosificación de aditivos aumenta en aproximadamente un 20 % cuando se añade microsílice.
3.5.2 En el shotcrete se debe utilizar microsílice como adición en vez de como substituto del cemento, a fin de mejorar las propiedades del concreto y de la proyección.
3.5.1.1 Ventajas especiales del shotcrete con microsílice Es posible producir shotcrete de calidad normal (es decir, 20 a 30 MPa de resistencia en cubos) sin necesidad de utilizar microsílice. Sin embargo, la producción práctica y económica de materiales con resistencias mayores depende hasta cierto grado del uso de microsílice. Desde el punto de vista técnico, se recomienda utilizar 5 – 10 % de microsílice (del peso de cemento). El uso correcto de microsílice puede proporcionar las siguiente propiedades al shotcrete: • Mejor capacidad de bombeo: lubrica y previene la exudación y la segregación • Menor desgaste del equipo y de las mangueras de bombeo • Mayor cohesión del concreto fresco, y por tanto menos consumo del acelerante (con mejores resistencias finales a la compresión) • Mayor adherencia a varios substratos y entre capas de concreto • Resistencias mecánicas superiores • Resistencia superior a la reacción álcali-agregado 28
Agregados En lo que se refiere a todos los hormigones especiales, la calidad del agregado es un asunto primordial tanto para el concreto fresco como para el endurecido. Es importante que la distribución del tamaño de grano y otras características sean lo más uniforme posibles. Particularmente importantes son la cantidad y las características de los finos (es decir, el tamaño de grano y el análisis de tamaño de grano). No hablaremos aquí de selección del agregado dado que usualmente debe utilizarse el material disponible y adaptar la formulación al mismo; no obstante, para la proyección de mezclas húmedas deben observarse los siguientes criterios: • Diámetro máximo: 8 – 10 mm, debido a limitaciones del equipo de bombeo y también para evitar grandes pérdidas por rebote. Desde un punto de vista tecnológico se prefiere un valor superior de diámetro máximo. • La curva granulométrica del agregado es también muy importante, especialmente en su sección inferior. El contenido de material fino en el tamiz n.° 0,125 mm debe oscilar entre un límite inferior de 4 – 5 % y uno superior de 8 – 9 %. • Los materiales finos demasiado pequeños producen segregación, mala lubricación y riesgo de atascamiento. Sin embargo, en caso de usar concreto con fibra, el sobrante de material fino es importante tanto para el bombeo como para la compactación.
29
Tabla 1:
Un contenido elevado de material fino produce un concreto cohesivo. Dado que los márgenes de la cesta del tamiz son relativamente pequeños, frecuentemente conviene combinar dos o más fracciones, p. ej., 0 – 2, 2 – 4 y 4 – 8 mm, ajustando la proporción entre ellos, con objeto de elaborar una curva de granulometría que esté dentro de los límites de la curva ideal. La insuficiencia del material fino puede compensarse utilizando más cemento o microsílice; para compensar el exceso de dicho material, se aumenta la dosificación de aditivos reductores de agua.
0.5
1.0
2.0
4.0
8.0
16.0
32.0
64.0
0 10 20
Porcentaje retenido
Máx. %
0,125 0,25 0,50 1,0 2,0 4,0 8,0 16,0
4 11 22 37 55 73 90 100
12 26 50 72 90 100 100 100
Es importante efectuar una buena clasificación de los agregados, y ninguna fracción debe constituir más del 30 % del total. El contenido de material triturado y de forma irregular no debe exceder el 10 %. A menudo, la mejora de la curva granulométrica de una arena natural mediante el uso de material triturado supone aumentos en la demanda de agua y disminución de la facilidad de bombeo y de la compactación. Por tanto, antes de utilizar materiales triturados como agregados, deben hacerse pruebas comparativas para determinar si la adición de dichos materiales mejora los resultados.
Tamiz ISO 0.25
Mín. %
Durante el tamizado, almacenamiento y manejo de los agregados, deben eliminarse partículas de tamaño superior a 8 mm, ya que pueden bloquear la boquilla y dificultar la limpieza.
La curva de distribución del tamaño de grano para el agregado debe caer en la región sombreada de la fig. 5.
0.125
TAMIZ
30 40 50 60
3.5.3
70 80 90 100
0.149
0.297
0.595
1.19
2.38
4.76
9.51
19.0
38.1
76.1
Tamiz ASTM, tamaño en mm
Figura 5: Curvas de distribución recomendadas para los agregados de shotcrete En lo posible, la cantidad de partículas de 8 mm no debe exceder el 10 %; en caso contrario, las partículas rebotarán durante la proyección sobre superficies duras (al comenzar la aplicación), o penetrarán el concreto ya colocado produciendo cavidades difíciles de rellenar.
30
Aditivos: Plastificantes y superplastificantes Los aditivos tienen como finalidad lograr propiedades específicas en el concreto fresco y en el endurecido mediante el método de proyección por vía húmeda. El uso de aditivos no es una práctica nueva: los antiguos romanos utilizaban diferentes clases tales como sangre de cabra o grasa de cerdo para sus trabajos de mampostería, para mejorar las características de moldeo de los materiales. ¡El hecho de que sus construcciones siguen aún de pie, indica que esta gente tenía razón! Si bien es cierto que los aditivos de concreto son más antiguos que el cemento Portland, su desarrollo, investigación y utilización han realmente ocurrido es en los últimos 30 años, todo ello debido a las exigencias en cuanto a aumentar la producción y a obtener materiales de mayor calidad. Los reductores de agua tienen la función de mejorar la trabajabilidad del concreto y su capacidad de cohesión en el estado plástico; pueden provocar un aumento significativo del 31
asentamiento con la misma relación agua/cementante, o bien dicha relación puede reducirse para alcanzar el mismo asentamiento que se obtendría para una mezcla carente del reductor de agua. La disminución de la relación agua/cementante está asociada con un aumento en la resistencia; el aumento del asentamiento, con una mejor facilidad de bombeo. El método por vía húmeda tiene la ventaja de que la mezcla del concreto y el añadido del agua se llevan a cabo bajo condiciones controladas y reproducibles, tales como las de una planta de concreto. Asimismo, la relación agua/cementante – uno de los factores fundamentales de la tecnología del concreto – , se mantiene bajo control. Sin embargo, uno tiende a olvidar que los equipos requieren un concreto fresco con gran facilidad de bombeo. Más aún, el método requiere una mayor cantidad de aditivos acelerantes de fraguado, lo cual puede conducir a la pérdida de la resistencia final del concreto.
En los últimos años ha entrado al mercado una nueva generación de superplastificantes de alto rendimiento. GleniumTM es un hiperplastificante basado en un éter policarboxílico modificado que proporciona una excepcional reducción del agua y una mayor retención de la trabajabilidad sin retardar el desarrollo de la resistencia inicial.
Los ensayos fueron llevados a cabo con concreto de la misma trabajabilidad (asentamiento o mesa de asentamiento): sin aditivo
Hoy en día se utilizan con frecuencia combinaciones de lignosulfonato, naftaleno y melamina a fin de obtener el mejor concreto posible. Los naftalenos/melaminas (superplastificantes) son químicamente diferentes a los lignosulfonatos (plastificantes/reductores de agua); a los superplastificantes usualmente se les conoce como reductores de agua de alto rango porque pueden utilizarse en altas dosis sin los problemas de retardo de fraguado ni de inclusión excesiva de aire que a menudo se observan con la adición de dosis altas de reductores de agua convencionales. La melamina forma una película lubricante en las superficies de la partícula, el naftaleno carga eléctricamente las partículas de cemento de forma tal que se repelen entre sí, y el lignosulfonato disminuye la tensión superficial del agua. Cuando las partículas de cemento están bien dispersas, no sólo fluyen mejor sino que cubren mejor los agregados. El resultado es un concreto más resistente y trabajable. Los superplastificantes/plastificantes tienen un efecto excelente en la dispersión de «finos», y por tanto son aditivos ideales y necesarios para el shotcrete. El mayor asentamiento logrado por los superplastificantes convencionales depende de las condiciones de tiempo y temperatura. Sin embargo, la facilidad de bombeo puede mantenerse sólo por tiempo limitado (20 – 90 minutos) después de la mezcla, y una dosis excesiva de aditivos puede conducir a segregación y a una pérdida total de la cohesión. Normalmente la dosificación oscila entre 4 y 10 kg/m3 según los requisitos de calidad, relación agua/cementante, consistencia requerida, así como también el tipo de agregado y de cemento. 32
con LS
con BNS o MS
con GLENIUM
reducción de agua
150 l
138 l
123 l
99 l
reducción de la relación agua/cementante
0.50
0.46
0.41
0.33
reducción de porosidad capilar Ekap (vol.-%), 28 días
7.5
6.5
5.6
3.5
Figura 6: Los resultados de un ensayo de concreto de 28 días con varios plastificantes de alto rango muestran que GleniumTM produce la menor porosidad capilar en comparación con los superplastificantes tradicionales. 33
GleniumTM es una molécula compleja y flexible compuesta de grupos funcionales de cadenas de diferentes longitudes. La mezcla de agua con cemento inicia una reacción química (hidratación); el agua se absorbe en la superficie de las partículas de cemento, y éstas se disuelven rápidamente. Las moléculas de GleniumTM son atraídas a la superficie de las partículas de cemento durante la mezcla y aumentan la carga negativa en la superficie, provocando así la repulsión electrostática. Esto trae como resultado un gran mejoramiento de la dispersión de las partículas de cemento y consiguiente mejora de la trabajabilidad, a pesar del menor contenido de agua. Las moléculas de GleniumTM tienen cadenas laterales muy largas que también desarrollan impedimento estérico, mejorando adicionalmente la capacidad de las partículas de cemento de mantener una distancia de separación entre sí y aumentando aún más el efecto de dispersión. GleniumTM actúa en un mecanismo de dos pasos que prolonga el tiempo de trabajabilidad del concreto fresco. Como parte de sus mecanismos de reacción química, se incorpora una segunda molécula que reacciona después de la primera. El aumento de alcalinidad del concreto durante la mezcla y el vaciado activa la segunda molécula. Esta acción de retardo larga el tiempo de trabajabilidad sin los usuales efectos secundarios de retardo en los tiempos de fraguado finales y en las resistencias tempranas. El uso de GleniumTM tiene varias ventajas: • Altísima reducción del agua (>40 %) • Baja porosidad capilar • Gran extensión de la trabajabilidad, con la menor relación posible de agua/cementante • Alta cohesividad, facilidad de bombeo • Rápido desarrollo de la resistencia El policarboxilato GleniumTM tiene ya amplio uso en combinación con los acelerantes libres de álcalis. Este material representa el futuro de los aditivos del shotcrete.
3.5.4
Acelerantes de fraguado tradicionales
El método por vía húmeda requiere añadir aditivos acelerantes de fraguado en la boquilla, los cuales principalmente reducen el asentamiento (consistencia) en el momento de la proyección, pasando de una consistencia líquida a una pastosa mientras que el concreto 34
está aún en el aire, de manera que se adhiera a la superficie cuando aumente el espesor de la capa. Los acelerantes de fraguado posibilitan la proyección eficaz en superficies verticales y en clave. El efecto de fraguado permite aplicar el shotcrete como soporte inicial – una función importante en la técnica de excavación de túneles NATM (New Austrian Tunnelling Method). Generalmente, debido a las posibilidades de irrupción de agua (p. ej., desde la roca posterior), se exige una mayor proporción de aditivos para acelerar el fraguado del shotcrete. Los acelerantes son añadidos en forma líquida mediante una bomba dosificadora especial (bomba de pistón o de gusano). La dosificación del acelerante depende de la capacidad del operario, la superficie y la relación agua/cementante. Una relación agua/cementante elevada aumentará la necesidad de acelerantes a fin de reducir la consistencia. Ahora bien, toda moneda tiene dos caras: un efecto secundario de los acelerantes tradicionales (basados en aluminato o water glass) es que disminuyen la resistencia final a los 28 días al compararse con la del concreto sin acelerantes. Por tal motivo, es importante siempre mantener el consumo de acelerantes a un mínimo (menor consumo en las paredes que en la clave). La diferencia básica entre los acelerantes de aluminato y los de silicatos sódicos modificados/water glass, es que los de aluminato participan en el proceso de hidratación y contribuyen a aumentar las resistencias iniciales en las primeras 0,5 – 2 horas (1 – 2 MPa).
3.5.4.1 Comportamiento químico de los acelerantes de aluminato durante el proceso de hidratación El clínquer Portland pulverizado reacciona espontáneamente con agua para formar una masa endurecida que adquiere una alta resistencia a la compresión al cabo de unos cuantos minutos. Dada la rapidez de esta reacción, estos clinquers son utilizados únicamente en casos especiales, tales como materiales de adherencia para el concreto. Para facilitar la operación, es necesario agregar de 2 a 5 % de sulfato de calcio (CaSO4). El sulfato de calcio reacciona con C3A (aluminato tricálcico), una de las cuatro fases importantes del clínquer durante la formación de 35
etringita. La etringita rodea cada partícula de cemento como una capa densa que retarda (pero no impide) el acceso adicional de agua a la superficie de cemento. Debido a esta reacción retardada de la pasta de cemento, el concreto mantiene su trabajabilidad durante cierto tiempo. Una vez que todos los sulfatos se consumen y se unen a la etringita, los aluminatos sobrantes reaccionan nuevamente con etringita y eliminan los sulfatos, al mismo tiempo que forman un «monosulfato», el cual es más permeable a agua; esto permite nuevamente una reacción adicional más rápida del cemento. Al añadir acelerantes de fraguado basados en aluminato, se produce un aumento repentino del contenido de aluminatos requerido para formar monosulfatos. Esto permite una hidratación normal espontánea del cemento, y conduce a altas resistencias iniciales a la compresión. Las características normales de fraguado para los acelerantes de aluminato son: inicio del fraguado: < 60 segundos* final del fraguado: < 3,5 minutos* (* Ensayo con el equipo de aguja Vicat [manual].)
Los acelerantes de aluminato comienzan a desarrollar resistencia después de 5 – 10 min, y después de 20 – 30 min la resistencia ha alcanzado un valor suficientemente alto (>0,4 MPa) como para que la capa de shotcrete pueda soportar su propio peso. Por tanto, estos acelerantes permiten proyectar el concreto con capas más gruesas que los silicatos de sodio modificado o water glass. Los espesores típicos oscilan entre 20 – 50 cm (en clave). Normalmente se hace la proyección de una primera capa de 6 – 10 cm en toda el área a recubrir. Una vez finalizada esta operación, se habrá desarrollado suficiente resistencia como para hacer la proyección de una nueva capa de 10 cm. El proceso se repite hasta llegar al espesor deseado. Los acelerantes de aluminato son igualmente apropiados para situaciones caracterizadas por problemas de agua. En estos casos, el procedimiento normal de proyección es formar una capa muy delgada de shotcrete con una sobredosis de acelerante de aluminato (8 – 10 % del peso de cementante) y esperar 30 min hasta que dicha capa haya adquirido la resistencia suficiente como para soportar la presión de agua. Seguidamente se continúa la proyección hasta llegar al espesor deseado.
Minutos
Las desventajas de los acelerantes de fraguado basados en aluminatos son las siguientes: • Mayor disminución de la resistencia final que la obtenida con los silicatos sódicos modificados (>30 – 50 %) • No funcionan igual con todo tipo de cemento, y por tanto es necesario determinar su reactividad con el cemento a utilizarse antes de comenzar la proyección. • Tienen valores de pH elevados (>13), por lo que pueden causar daños en la piel, los ojos, etc.
Comienzo del fraguado
Final del fraguado
Figura 7: Comportamiento del fraguado de un acelerante líquido con base de aluminato de alta eficiencia
Es importante tomar medidas de precaución durante el manejo y uso de este tipo de acelerantes. El personal encargado del manejo y de la proyección del material debe siempre usar guantes, careta y lentes de protección; debe evitarse el contacto directo del material con la piel.
Los acelerantes de aluminato son utilizados preferiblemente en aplicaciones de rocas blandas con alta deformación, y en aquellas donde se requieren soportes de alta resistencia inicial y espesores grandes (>15 cm) en tiempos cortos después de la excavación. 36
37
Las dosificaciones típicas de acelerantes de fraguado con base de aluminatos oscilan entre 4 – 8 % del peso del material cementante. Existen dos clases de acelerantes de fraguado con base de aluminatos: • Aluminatos sódicos • Aluminatos potásicos Los acelerantes de aluminato potásico funcionan con una mayor variedad de cementos y normalmente ofrecen un fraguado más rápido y mayor resistencia inicial que los acelerantes de aluminato sódico.
Prueba de fraguado con acelerantes de aluminato 1) 30 – 32 g de agua 2) 100 g de cement 3) Mezclar durante 2 – 3 minutos hasta obtener una pasta de cemento homogénea. 4) Añadir 6 g del acelerante específico del proyecto. 5) Mezclar enérgicamente a mano durante un máximo de 15 segundos a fin de distribuir bien el acelerante en la pasta de cemento. Nota: Evitar mezclar por más de 15 segundos; de lo contrario se correrá el riesgo de deteriorar el proceso de fraguado. 6) Formar una masa con la pasta de cemento acelerada y colocarla en el equipo de ensayo Vicat. 7) Utilizar únicamente el equipo de aguja Vicat manual (no el automático). 8) Llevar a cabo el ensayo para determinar el inicio del fraguado y anotar los resultados. La aguja debe detenerse a 1 – 2 mm del fondo. 9) Llevar a cabo el ensayo para determinar el fraguado final y anotar los resultados. Es posible que la aguja no penetre la pasta de cemento.
Criterios de fraguado Inicio de fraguado <30 s Bueno <60 s Aceptable >60 s No aceptable
Final de fraguado <3 min Bueno <4 min Aceptable >4 min No aceptable 38
Criterio principal para los acelerantes de aluminato: Características del cemento a utilizar 5–10 %, preferiblemente 7–9 % C3A Blaine >3500, preferiblemente >4000 m2/kg También depende de la mezcla de cenizas volantes, escoria y yeso.
3.5.4.2 Silicatos sódicos modificados/water glass Los silicatos sódicos modificados/water glass se caracterizan por un efecto momentáneo (<10 segundos) de pérdida del asentamiento de la mezcla de shotcrete, y no participan en el proceso de hidratación tal como lo hacen los acelerantes de aluminato (si las dosificaciones no exceden 20 % del peso del cementante). Los silicatos sódicos modificados fijan el agua en la mezcla; por tal motivo la dosificación depende de la relación agua/cementante: mientras mayor sea dicha relación, más silicato sódico modificado/vidrio soluble se requerirá para «fijar» el agua a la mezcla. Los silicatos sódicos modificados o water glass no producen resistencias muy elevadas durante las primeras 2 – 4 horas. Dependiendo del tipo de cemento y de la temperatura, se llega al fraguado final en tiempos mayores de 30 minutos. Ventajas • Funcionan con toda clase de cemento • Menor disminución de las resistencias finales que las obtenidas con los acelerantes de aluminato a dosificaciones normales (4 – 6 %) • Muy buen efecto aglomerante • No causan daños al medio ambiente ni son tan dañinos para la piel. El pH es <12, pero así y todo es importante evitar su contacto con la piel. Siempre se deben utilizar guantes y lentes de protección. • Menor contenido de álcalis que los productos basados en aluminatos (<8,5 % de Na2O). Desventajas • No pueden utilizarse a temperaturas inferiores a +5°C. • Espesor limitado: máx. 8 – 15 cm
39
Nota: Recientemente se hizo una prueba en Noruega, en la cual se determinó la resistencia de un shotcrete por vía húmeda hace 18 años; la resistencia obtenida fue la misma que tenía el material a los 28 días. Estos resultados contradicen las declaraciones de algunos: la calidad del concreto con acelerantes de silicato sódico modificado no representa ningún problema hasta resistencias de 60 MPa.
3.5.4.3 Campos de aplicación • Aplicaciones de soporte permanente • Aplicaciones de soporte temporal, en donde no se requieran resistencias iniciales (condiciones de roca dura) • Trabajos de reparación • Lugares con un espesor máximo limitado (10 – 15 cm) de aplicaciones en clave. 3.5.5 3.5.4.4 Dosificaciones típicas Silicatos sódicos modificados: 3 – 6 % por peso. Normalmente se recomienda no utilizar water glass (e incluso se prohíben) debido a que se requieren altas dosificaciones (>10 – 12 %, normalmente 20 %), las cuales disminuyen la resistencia, producen resultados de mala calidad y dan un falso sentido de seguridad. La norma EFNARC (Especificación Europea del Shotcrete, 1996) limita la dosificación máxima a 8 % del peso del material cementicio para el uso de acelerantes líquidos. Ciertos expertos europeos creen erróneamente que los acelerantes de silicato sódico modificado llevan a mayor pérdida de calidad que los de aluminato, y basan esa creencia errónea en los resultados de un pequeño número de pruebas de laboratorio realizadas con altas dosificaciones de water glass (15 – 20 %) y un concreto con una relación agua/cementante de 0,7 – 0,8. Estas condiciones son totalmente diferentes a las utilizadas en la práctica, y por tanto es incorrecto sacar conclusiones a partir de dichos resultados. Igualmente, el efecto de los silicatos sódicos modificados en la reducción de la resistencia final depende de las condiciones de curado. Con una dosificación de 15 % del peso de cemento, se podría producir una pérdida de resistencia del 50 %; si las muestras se curan en agua, la pérdida se reduce al 30 %. Los resultados de pruebas de curado a largo plazo demuestran resistencias finales iguales a las del concreto sin acelerantes. En la mayoría de las aplicaciones que tienen una dosificación razonable de silicatos (3 – 6 %) y un buen control de calidad, se aceptan pérdidas de resistencia menores que 20 %. En la práctica, las pérdidas oscilan entre 10 y 15 %. 40
Acelerantes de shotcrete libres de álcalis Hoy en día, en el mercado de acelerantes de shotcrete se hace énfasis en la seguridad para las personas y para el medio ambiente. Por ejemplo, Francia, Suiza, Hong-Kong, Singapur y Austria prohíben utilizar acelerantes de aluminato cáusticos debido a los riesgos para la salud del personal. De acuerdo con la información suministrada en la reunión «ITA Working Group on Sprayed Concrete» (Washington, 1996), los problemas de salud ocasionados por la proyección por vía seca constituyeron una razón importante del aumento del mercado del método por vía húmeda en Brasil. Además, han aumentado los requisitos de fiabilidad y durabilidad de las estructuras de concreto. Ciertos problemas tales como pérdida de resistencia o efectos de filtrado que se piensa son causados por acelerantes alcalinos fuertes, han forzado a la industria a buscar soluciones y crear productos que exhiban un mejor rendimiento. Tradicionalmente, los operarios de shotcrete han estado «acostumbrados» al exceso de polvo y a los problemas de salud: quemaduras de la piel, riesgo de pérdida de la vista e incluso lesiones personales causadas por caída de rocas (especialmente en el caso de la proyección manual de mezclas secas, con acelerantes de aluminato cáusticos y mallas sobre substratos no soportados). Hoy día, por lo general (y dependiendo de la región del planeta) ya no se aceptan tales condiciones nocivas. Durante la última década, la industria de la construcción ha estado a la búsqueda de acelerantes de shotcrete que sean más seguros y mejoren el rendimiento. Actualmente existen en el mercado productos libres de álcalis y no cáusticos de buen rendimiento, que hacen posible aplicaciones de shotcrete de alta calidad, eficientes y económicas. Ya no se justifica el uso de productos peligrosos tales como los tradicionales aluminatos cáusticos y silicatos sódicos industriales cáusticos. Nosotros favorecemos una prohibición total de estos tipos de productos. Si bien MBT está aún comerciando con 41
aluminatos cáusticos, las ventas de los mismos se efectúan únicamente a solicitud del cliente, y la empresa no realiza actividad alguna para promocionar las ventas de tales productos. Como resultado, el volumen de ventas de los mismos ha disminuido drásticamente, y hoy en día se reemplazan con acelerados líquidos no cáusticos y libres de álcalis.
2. Proceso por vía seca, con agregados naturalmente humidificados y cemento rápido Heidelberg Cronolith S, utilizando un equipo «mixer» Heidelberg con una máquina de proyección SBS Tipo B1. 3. Método por vía húmeda con cemento Kardstadt CEM I 42.5, acelerante líquido libre de álcalis MEYCO® SA140 y un equipo de proyección móvil MEYCO® Roadrunner.
La responsabilidad de mejorar la aplicación de shotcrete, así como las condiciones del medio ambiente y la seguridad para los trabajadores recae ahora sobre propietarios, especificadores y contratistas.
Las mediciones se llevaron a cabo con un instrumento óptico de polvo fino, hund TM DATA. A continuación se exponen las intensidades relativas de polvo medidas en el entorno inmediato del obrero encargado de la proyección:
Debido a su compleja composición química, los acelerantes libres de álcalis son más costosos que los acelerantes tradicionales. Sin embargo, el precio de los acelerantes tiene una influencia prácticamente despreciable en el costo total del shotcrete. Mucho más importantes son los ahorros de tiempo y de rebote que se obtienen, así como también el mejoramiento de la calidad y del ambiente de trabajo.
Sistema de proyección 1) (vía seca) 2) (vía seca) 3) (vía húmeda)
Intensidad de polvo relativa 12,6 6,6 3,3
Capacidad de proyección 13,5 m3/h 6,8 m3/h 15,4 m3/h
Boquillas 2 1 1
Otro ejemplo son las mediciones de polvo realizadas en Escandinavia entre 1979 y 1998 (véase la fig. 8).
3.5.5.1 Formación de polvo La selección del método por vía húmeda, así como la sustitución de acelerantes de aluminato cáusticos por productos líquidos libres de álcalis y no cáusticos representan un gran avance hacia el mejoramiento del ambiente de trabajo. Factores como el polvo y el rebote han disminuido significativamente, y las quemaduras de la piel se han convertido en cosa del pasado. Las mediciones de polvo en el Túnel del Cabo Norte en Noruega (léase el caso de estudio de la sección 3.5.5.10), en donde se ha empleado shotcrete por vía húmeda de alto rendimiento con MEYCO® SA160, un acelerante líquido no cáustico y libre de álcalis, muestran un contenido total de polvo inferior a 3,7 mg/m3 de aire en el ambiente inmediato al operario. Este valor es dos veces menor que aquellos obtenidos con los acelerantes líquidos de silicato modificado, bajo las mismas condiciones (véase la fig. 8). Es difícil encontrar comparaciones directas de mediciones de polvo en condiciones iguales en el mismo túnel. Un ejemplo es el informe del Ing. Markus Testor, del Túnel Irlahull en Alemania, en el cual se midió la formación de polvo para tres sistemas de aplicación: 1. Proceso por vía seca, con agregados secados al horno mezclados con cemento rápido Schwenk CEM I 32.5 R/SE utilizando un equipo de proyección móvil Rombold. 42
Ulla Førre. Salida ~5 m3/h (ref. T. Myran) Estocolmo. Salida ~5 m3/h (ref. T. Myran) Lillestrøm. Salida ~8 m3/h (ref. T. Myran) Cabo Norte (1998). Acelerante de silicato modificado, salida ~15 m3/h Cabo Norte (1998). Acelerante líquido no cáustico y libre de álcalis MEYCO® SA160 , salida ~15 m3/h 10
20
Proceso por vía seca
30 Método por vía húmeda
40
50 Polvo total [mg/m3 de aire]
Figura 8: Datos de comparación de shotcrete fabricado por vía seca y vía húmeda con diferentes clases de acelerantes. Se muestran algunos ejemplos de mediciones de polvo realizadas en Escandinavia entre 1979 y 1998. La aplicación de mezclas húmedas en el Túnel del Cabo Norte fue realizada bajo condiciones idénticas (equipos, operarios, ventilación del túnel, capacidad de proyección y diseño de mezcla). 43
3.5.5.2 Terminología confusa: ¿«no cáustico»? ¿«libre de álcalis»? En el contexto de acelerantes de shotcrete, frecuentemente surge una confusión con los términos «no cáustico» con «libre de álcalis». Esto se debe a que en el lenguaje profesional, el término «alcalino» tiene un significado dual: 1) Líquido básico (con un valor de pH entre 7 y 14). Como ejemplo, el óxido de calcio disuelto en agua produce una alta concentración de iones OH- y un valor de pH aproximado de 13. Esta solución es fuertemente básica (alcalina), pero no contiene cationes de álcalis. 2) Solución que contiene cationes de álcalis tales como Na+, K+, Li+. Un ejemplo de tal solución es la sal común disuelta en agua (solución de cloruro de sodio), la cual contiene cationes de álcalis; sin embargo, su valor de pH es aproximadamente 7, y por tanto es neutra. ¡La alcalinidad y el contenido de álcalis son dos propiedades independientes! Para los acelerantes del shotcrete, el término «libre de álcalis» debería significar exclusivamente que el acelerante no contiene cationes de álcalis (o que su contenido está por debajo del 1 %) (ver arriba, 2). El límite anterior se impone para reducir el riesgo de la reacción de cationes de álcalis con ciertos minerales sensibles (sílice disoluble, SiO2) que en ocasiones se encuentran en los agregados de concreto. Si ocurriera tal reacción, los granos del agregado se fracturarán debido a la expansión resultante, lo cual podría afectar negativamente la matriz del shotcrete. La mayoría de los acelerantes son sumamente básicos (pH 12 – 14), y pueden denominarse cáusticos, básicos, agresivos, o en ciertos casos corrosivos; sin embargo, es aconsejable evitar utilizar el término alcalino. Asimismo hay ejemplos de acelerantes que son ácidos fuertes (pH 0 – 2), que son denominados ácidos, agresivos o corrosivos. En cualquier caso es esencial mantener un ambiente seguro y prácticas de trabajo seguras. Tanto las bases fuertes como los ácidos fuertes pueden representar un peligro para el personal debido a sus efectos dañinos sobre los ojos, la piel y los órganos respiratorios. Los términos generales utilizados en esta relación son casi neutro (pH 5 – 9) y agresivo (pH 0 – 4 y 10 – 14).
44
Tabla 2: Corrosividad: escala de pH 0 ácido Agresivo/corrosivo a: acero concreto ojos y piel órganos respiratorios
7 neutro
14 básico ( alcalino)
No agresivo y no corrosivo
Ejemplos de valores de pH: 1 4 ácido sulfúrico, ácido acético ácido clorhídrico
7 agua
Agresivo/corrosivo a: aluminio ojos y piel órganos respiratorios
10 soda, amoníaco
12 lechada de cemento
14 hidróxido sódico (soda cáustica)
3.5.5.3 Acelerantes líquidos no cáusticos libres de álcalis El uso cada vez mayor de acelerantes de shotcrete sin álcalis viene siempre acompañado de una o más de las ventajas siguientes: 1) Reducción del riesgo de la reacción álcali-agregado, mediante la eliminación del contenido de álcalis provenientes de los acelerantes de aluminato cáusticos comunes. 2) Mejoramiento de las condiciones de seguridad de los trabajadores gracias al uso de acelerantes menos dañinos: se evitan lesiones como quemaduras de la piel, pérdida de la vista y problemas respiratorios. 3) Protección ambiental debida a la reducción de componentes peligrosos descargados en el agua subterránea, provenientes del shotcrete y su rebote. 4) Menos pérdida de la resistencia final del shotcrete (normalmente con los acelerantes convencionales entre 15 y 50 %). La importancia de los puntos anteriores varía según el mercado. Los puntos 2 y 3 son los más importantes en aplicaciones en que el shotcrete se utiliza principalmente como recubrimiento final (en diseños considerados temporales y no permanentes). En los casos en que se utilice para estructuras permanentes, los puntos 1 y 4 adquieren una importancia equivalente. Todas estas variaciones causan ciertas confusiones en los usuarios.
45
Requisitos en distintos países. Ejemplos. En algunos países, casi todo el shotcrete utilizado para la excavación de túneles está considerado como temporal, y se descarta para el diseño del recubrimiento permanente. En este caso se hace caso omiso de los posibles problemas de durabilidad creados por una reacción álcali-agregado en el shotcrete. Sin embargo, cada vez más las legislaciones correspondientes exigen acelerantes «sin álcalis» para mejorar la seguridad de las condiciones de trabajo. En otras palabras, se requieren acelerantes no agresivos. En otros países impera el mismo uso del shotcrete, pero hasta ahora no hay legislaciones que prohíban el uso de acelerantes agresivos. Ahora bien, en vista de la inquietud por proteger el medio ambiente (agua subterránea), las autoridades están ahora exigiendo acelerantes «sin álcalis». No deben utilizarse componentes de lixiviación de alto pH adicionales al cemento. En este caso, lo que se requiere es un acelerante no agresivo (sumamente irritante). Hay también países en donde la mayoría del shotcrete utilizado en la excavación de túneles es temporal desde el punto de vista de diseño. Sin embargo, en los mismos países normalmente se requieren acelerantes «sin álcalis», es decir, no cáusticos y sin cationes de álcalis, para así impedir componentes de percolación agresivos, y frecuentemente para limitar la reducción de la resistencia final. En lo que respecta a la seguridad del personal, hasta ahora no hay regulaciones contra productos agresivos. Situación típica I: En los casos anteriores, la situación práctica es directamente en el frente del túnel, en donde se hace la proyección en su mayoría sobre (o a través de) mallas electrosoldadas y cerchas de acero, trabajando en áreas pequeñas simultáneamente y aplicando rápidamente espesores de capas mayores de 150 mm. A menudo se exige una alta resistencia inicial por razones de seguridad. En los túneles del metro de Londres, el procedimiento normal de uso de recubrimientos de shotcrete consiste primero en aplicar un recubrimiento primario temporal. Hasta ahora no se han establecido regulaciones que impongan el uso de acelerantes sin álcalis para esta aplicación. Sin embargo, debido a los excelente resultados obtenidos con shotcrete fabricado por vía húmeda, ha aumentado el interés por utilizar el shotcrete también para propósitos de recubrimiento permanente, tal como lo describen Annett y Varley. Para producir un concreto duradero de alta calidad, con una reducción 46
despreciable en la resistencia final, se requirió un acelerante «sin álcalis». En este caso (Jubilee Line, Contrato 104), la finalidad principal de utilizar un acelerante sin álcalis era aumentar durabilidad. Asimismo, la construcción de la primera sección del Túnel Heather Express fue llevada a cabo con recubrimiento de shotcrete permanente sin álcalis. Especialmente en Escandinavia pero también en otras áreas, cada vez más se está llevando a cabo la aplicación de recubrimientos de shotcrete permanentes en una fase de construcción separada, bien detrás del área de la fachada. Estos ejemplos pueden resumirse como la situación típica II: En este caso, se hace una aplicación sistemática en áreas relativamente grandes, bien por detrás del frente del túnel, parcialmente sobre mallas electrosoldadas y cerchas, pero cada vez más utilizando fibras metálicas. El espesor de las capas finales puede ser grande, pero puede hacerse en varias pasadas y por tanto no se requiere una alta resistencia final. En Escandinavia (túneles poco profundos), la solución estándar de soporte es el recubrimiento de shotcrete «de un paso» o de single shell, una metodología que está siendo aplicada cada vez más en otras partes del mundo. Básicamente se trata de aplicar el shotcrete en el frente siguiendo requisitos de calidad, lo que le permite ser considerada como parte del recubrimiento de shotcrete final y permanente. El término single shell se refiere a una estructura sencilla que podría producirse en un número de pasos (en el frente y detrás, véase el capítulo 9). Ejemplos de esta aplicación en Noruega son los túneles de carretera, túneles ferroviarios, túneles de carreteras bajo el nivel del mar y túneles de canales, túneles hidroeléctricos, la pista olímpica Gjøvik de hockey sobre hielo, etc. En el caso de revestimientos de shotcrete permanentes de una sola capa, se aplican ambas de las situaciones descritas anteriormente. La diferencia básica es que los requisitos de calidad son los mismos en toda la construcción. Es posible que los diferentes requisitos prácticos exijan acelerantes diferentes en el frente y en etapas posteriores, según el tipo de cemento y otros requisitos locales. Por tanto, se ha comprobado que no es posible cubrir todas las situaciones con un solo producto. Propiedades MBT ha dado un paso tecnológico importante al lanzar una gama de acelerantes líquidos sin álcalis y no cáusticos tanto para el shotcrete 47
por vía seca como por vía húmeda. Los productos en polvo son muy difíciles de utilizar en la práctica. Gracias a este avance, MBT se ha colocado al frente de la tecnología. A diferencia de la mayoría de los acelerantes tradicionales, los productos sin álcalis y no cáusticos de MBT llevan a poca o ninguna disminución de la resistencia final. Es más fácil satisfacer los requisitos exigidos para HPS (shotcrete de alto requerimiento), p. ej., para recubrimientos de shotcrete permanentes de single shell. Sin embargo, la innovación más importante que ofrecen los acelerantes sin álcalis de MBT es la seguridad del ambiente de trabajo: se acabó el peligro de quemaduras de la piel para los operarios. MEYCO® SA160
MEYCO® SA161
MEYCO® SA162
MEYCO® SA170
Forma física (1)
líquido
líquido
líquido
líquido
Cationes de álcalis (2)
<0,5%
<0,5%
<0,8%
<0,5%
Valor de pH a +20°C. mezclado 1:1 con agua (3) 2,5 – 3,5
3,0 – 4,0
2,4 – 3,4
3,2 – 4,0
Espesor de la capa (4)
300 mm
300 – 500 mm
300 – 700 mm 300 – 700 mm
Dosificación (5)
4 – 10%
3 – 8%
3 – 7%
3 – 7%
Desarrollo de resistencia inicial (6)
bueno
muy bueno
excelente
excelente
Corrosividad (7)
alta
alta
moderada
ninguna
Equipo (8)
inoxidable
inoxidable
inoxidable
estándar
Efecto sobre la piel (9)
no clasificado
no clasificado
no clasificado
no clasificado
Manejo (10)
sencillo
sencillo
sencillo
sencillo
Funciona con todo tipo de cemento (11)
sí
sí
sí
sí
Comments: (3) Los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170 tienen un valor de pH de 2,5 a 4,0, y por tanto son ácidos. No son lo suficiente agresivos como para causar problemas cutáneos, pero los MEYCO® SA160/SA161/SA162 atacan el acero y por tanto se requiere que los equipos a estar en contacto directo con estos productos (antes de la proyección) sean de acero de calidad resistente al ácido. Los acelerantes libres de álcalis, una vez que se agregan a la boquilla, son neutralizados inmediatamente por los cementos ricos en álcalis: no hay riesgo de corrosión para el refuerzo metálico. (4) Espesor de capa mínimo que puede aplicarse en la clave en una pasada, con tal de que se utilice un cemento de calidad razonablemente compatible. Ciertos tipos de cemento permiten aumentar el espesor significativamente, pero es aconsejable no 48
exagerar dicho espesor. Particularmente, se ha comprobado que los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170 producen espesores extremadamente grandes, en ocasiones hasta de 700 mm en una pasada. (5) La dosificación se da como porcentaje del peso del cementante (cemento más cualquier adición puzolánica). Los valores más bajos indicados se logran con cementos apropiados (alta compatibilidad), mientras que puede utilizarse una máxima dosificación con cementos inferiores, o si se requiere una alta resistencia inicial. Puede mencionarse que las dosificaciones superiores al máximo dado no mejorarán la calidad, y en cambio pueden ocasionar escurrimiento y reducir la resistencia final. Dentro de la gama de dosificaciones indicadas no hay pérdida de resistencia (o si la hay, es mínima). En cierto casos, la resistencia final es significativamente superior que la del mismo concreto sin acelerante. (6) Los tres productos exhiben un excelente desarrollo de la resistencia inicial a partir de 7 horas. Los valores nominales se relacionan con los primeros minutos y pueden considerarse como paralelos al posible espesor de capa aplicado en la clave. Los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170 son muy buenos con casi todos los cementos, y excelentes (tan buenos como, o mejores que los mejores resultados de los aluminatos cáusticos). (11)Los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170 funcionan bien con la mayoría de los cementos, incluso con tipos de cementos mezclados que no funcionan bien con todos los otros tipos de acelerantes.
3.5.5.4 Acelerantes sin álcalis en polvo La metodología de los productos en polvo involucra numerosas limitaciones prácticas: • Costos de una unidad dosificadora adicional • Un operario adicional para vaciar el acelerante en la máquina de proyección en seco/dosificadora • Dosificaciones más altas: aproximadamente 7 – 10 % por peso • Es necesario alimentar más aire a la unidad dosificadora (4 – 5 m3/min) • Mayor rebote. Los resultados de pruebas muestran un rebote de 10 a 15 %, superior al obtenido con los acelerantes líquidos sin álcalis.
49
• El método por vía seca no es práctico en los proyectos modernos de construcción rápida de túneles, en donde el shotcrete fabricado por vía húmeda, de alto rendimiento y reforzado con fibras metálicas, desempeña un papel importante: la configuración de los equipos entre cada ciclo de proyección es demasiado complicada y toma demasiado tiempo. • Además de todas estas limitaciones desde el punto de vista práctico y económico, existe una inquietud general sobre el efecto nocivo que causan los productos en polvo en el ambiente de trabajo.
3.5.5.5 MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170: Uso según el tipo de cemento Los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170 pueden utilizarse con la mayoría de los cementos, incluso con cementos adicionados y cementos resistentes a los sulfatos (CEM I-IV). Se recomienda hacer pruebas de compatibilidad con el(los) cemento(s) a utilizarse, para cada aplicación de shotcrete con MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170, y antes de efectuar cualquier proyección de concreto. Prueba de reactividad del cemento de los acelerantes de fraguado sin álcalis (MEYCO® SA160/SA161/SA162/ SA170) En una pasta de cemento: (Equipo: recipiente de mezcla con espátula redonda, aguja Vicat manual, cronómetro, moldes de prueba) 1) 26 – 35 g de agua 2) 1,0 g de GleniumTM T801 o superplastificante similar 3) 100 g de cemento (+20°C ±1°C) 4) Mezclar vigorosamente hasta obtener una pasta homogénea 5) Añadir 3 – 10 g del acelerante y mezclar durante un máx. de 5 segundos 6) Inmediatamente después de mezclar, llenar una molde de prueba, colocarla bajo la aguja Vicat manual y comenzar a medir la penetración 7) Anotar el inicio del fraguado (la aguja se detiene a 1 – 2 mm de la parte inferior de la pasta de cemento) 8) Anotar el fraguado final (la aguja no puede penetrar en la pasta de cemento)
50
Interpretación de Inicio de fraguado Final de fraguado Clasificación
los resultados: <2 min <4 min <5 min <8 min Bueno Aceptable
>4 min >8 min No aceptable
En un mortero (según EN 196-1): (Equipo: Mezclador Hobart, aguja Vicat manual, moldes prismáticos para mortero) 1) Verter 195 g de agua en el mezclador, añadir 2 – 6 g de plastificante (GleniumTM T801 o similar) y 450 g de cemento (+20°C ±1°C) y agitar durante 30 segundos 2) Añadir 1350 g de arena normalizada y mezclar durante 30 segundos 3) Mezclar a velocidad media por 30 segundos 4) Detenerse por 90 segundos 5) Mezclar nuevamente por 30 segundos 6) Revisar el asentamiento del mortero (según EN 196-1). Asentamiento requerido: 15 – 18 cm. Si es necesario, ajustarlo añadiendo agua 7) Añadir 3 – 10 % de acelerante y mezclar durante un máx. de 15 segundos 8) Inmediatamente después de mezclar, preparar el prisma de prueba 9) Llenar el prisma en una mesa de vibración para evitar una compactación deficiente 10) Colocarlo bajo la aguja Vicat manual y comenzar a medir la penetración 11) Anotar el inicio del fraguado (la aguja de detiene a 1 – 2 mm de la parte inferior de la pasta de cemento) 12) Anotar el final del fraguado (la aguja no puede penetrar la pasta de cemento) 13) Medir la resistencia a la compresión a las 6 horas y a las 24 horas Interpretación de los resultados: Inicio de fraguado <2 min 2 – 5 min >5 min Final de fraguado <6 min 8 – 13 min >13 min Resistencia a las 6 h 2,5 – 4 MPa 1 – 2,5 MPa <1 MPa Resistencia a las 24 h 18 – 25 MPa 10 – 18 MPa <10 MPa Clasificación Bueno Aceptable No aceptable Nota: Usualmente cuando los tiempos de fraguado no son buenos, se obtiene una buena resistencia a las 24 horas. Incluso con un fragua-
51
do lento es posible hacer la proyección de 5 – 7 cm en la pared o de 3 – 5 cm en clave. En la mayoría de los casos estas pruebas no funcionan bien debido a que el tiempo de solidificación del gel es demasiado rápido como para permitir una mezcla a fondo. En vista de ello, MBT desarrolló un equipo de pruebas Viper para hacer pruebas de fraguado de morteros de proyección.
3.5.5.6 Comparación de las resistencias iniciales con acelerantes tradicionales de aluminato
Diseño de la mezcla de concreto Cemento, tipo CEM I 42.5 (OPC) Agregados (0 – 8 mm) Rheobuild® 1000 Estabilizador Delvo®crete Relación agua/cementante Asentamiento Variación de la mesa de asentamiento (DIN)
425 kg 1713 kg 1,5 % 0,2 % 0,47– 0,48 20 cm 51 cm
Desarrollo de resistencia inicial MEYCO® SA160
El ensayo de todos los acelerantes fue realizado con el mismo diseño de mezcla (relación agua/cementante, asentamiento, etc.) y las muestras fueron lanzadas desde la misma carga del camión. Todas las proyecciones fueron realizadas con el equipo MEYCO® Suprema y con el mismo operario. Se utilizaron temperaturas y condiciones de curado iguales. La prueba de las resistencias iniciales fue hecha con una aguja de penetración MEYCO® (hasta 0,8 – 1,0 MPa) y con Hilti (a partir de 1,0 MPa). El mismo operario llevó a cabo todas las pruebas. Resultados de la prueba No se observaron diferencias significativas en la resistencia desarrollada con los diferentes tipos de acelerantes. Los resultados sugieren que los activadores Delvo®crete S71 y S51 (aluminatos) exhiben un desarrollo de resistencia más rápido en las primeras 1 a 2 horas, pero más tarde el aumento es mucho más lento que el observado con otros acelerantes. Todos los acelerantes exhiben un aumento drástico de la resistencia después de 4 – 5 horas, desde 1 – 2 a 8 – 10 MPa. MEYCO® SA160 logró los más altos resultados de 4 – 6 horas.
52
libre de álcalis
30 30
22,5 22.5 20,5 20.5 J3
Resistencia a la compresión MPa
10 10
11
J2
Dosificación 9%
Dosificación 6%
0,1 0.1 15’
30’
1h
2h
4h
6h
12h
1d
Figura 9: Desarrollo de la resistencia inicial, MEYCO® SA160 a +20°C MEYCO® SA160 libre de álcalis 30 30
21,5 21.5 21,4 21.4
J3 J2
10 10 Resistencia a la compresión MPa
El desarrollo de la resistencia a la compresión y especialmente de la resistencia inicial es uno de los parámetros y propiedades más importantes del shotcrete utilizado para soporte de rocas. Así mismo, es una de las propiedades más importantes que pueden variar con la adición de un acelerante. Se han llevado a cabo una serie de pruebas con los nuevos acelerantes sin álcalis MEYCO® SA. Se midió la resistencia inicial durante las primeras 24 horas del shotcrete con MEYCO® SA160 y con los acelerantes de shotcrete tradicionales (activador Delvo®crete S71 [aluminato potásico] y S51 [aluminato sódico]).
11
Dosificación 9%
Dosificación 6%
0.1 0,1 15’
30’
1h
2h
4h
8h
12h
1d
Figura 10: Desarrollo de la resistencia inicial, MEYCO® SA160 a <+10°C
53
acelerantes de aluminato)
Resistencias a la compresión (+20°C) Tipo y dosificación Resistencias medidas a: del acelerante 15’ 30’ 1h 4h
6h
12 h
24 h
MEYCO® SA162
3 – 7%
Vía húmeda
Siempre en la boquilla
Activador Delvo®crete S71 4% 1,2 1,4 5% 1,0 1,0
2,0 1,2
6,5 6,5
6,5 6,5
8 7,5
10,2 10,6
MEYCO® SA162
3 – 7%
Vía seca
Activador Delvo®crete S51 4% 1,0 1,2 5% 1,0 1,2
1,2 1,2
2,0 2,0
5,5 4,0
8,0 7,5
15,3 14,4
En la boquilla junto con el agua (al igual que se hace con los acelerantes de aluminato)
MEYCO® SA170
3 – 7%
Vía húmeda
Siempre en la boquilla
MEYCO® SA170
3 – 7%
Vía seca
En la boquilla junto con el agua (al igual que se hace con los acelerantes de aluminato)
MEYCO® SA540/ 5–10 % SA545
Vía seca
Manualmente o con una unidad dosifi cadora especial de polvo en la mezcla, antes de alimentarla en el equipo de proyección
®
MEYCO SA160 6% 9%
0,5 0,8
0,7 1,2
0,8 1,2
0,9 1,4
6,0 8,0
20,0 19,0
20,5 22,5
Todos los resultados están en MPa. Se emplearon agujas de penetración MEYCO®/Hilti. Cada resultado representa el promedio de 10 lecturas.
3.5.5.7 Dosificación y equipos Pautas para la dosificación Producto (en peso)
Dosificación Método de proyección
Lugar donde debe añadirse
MEYCO® SA160
4 – 10%
Vía húmeda
Preferiblemente en la boquilla
MEYCO® SA160
3 – 10%
Vía seca
En la boquilla junto con el agua (al igual que se hace con los acelerantes de aluminato)
®
MEYCO SA161
3 – 8%
Vía húmeda
Preferiblemente en la boquilla
MEYCO® SA161
3 – 8%
Vía seca
En la boquilla junto con el agua (al igual que se hace con los
54
Nota: Todas las piezas de equipo que vayan a estar en contacto inmediato con los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162 deben estar hechas de acero inoxidable.
Uso de los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162/ SA170: Limpieza de la bomba dosificadora Cada vez que se utilicen los productos MEYCO® SA160/SA161/ SA162/SA170, es preciso lavar con agua abundante la bomba de dosificación, la manguera de aspiración (válvula) y la manguera del acelerante antes de comenzar la proyección. Asimismo se debe limpiar el equipo diariamente con agua; si no se hace así, el sistema dosificador se obstruirá. Es muy importante 55
informar de esto a todas las personas involucradas en las pruebas y el uso de los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170.
3.5.5.8 Compatibilidad con otros acelerantes
Sistemas de dosificación para MEYCO® SA160/SA161/ SA162
Evitar mezclar los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170 con otros acelerantes porque esto podría causar un atascamiento inmediato de bombas y mangueras.
Los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162 son dispersiones, y por tanto no todas las bombas dosificadoras funcionan bien con los mismos. Para obtener buenos resultados, es sumamente importante asegurar una dosificación constante y adecuada.
Antes de emplear los MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170, asegúrese de que tanto la bomba de dosificación como la manguera del acelerante, la boquilla y el amortiguador de pulsaciones estén totalmente limpios y libres de cualquier producto utilizado anteriormente.
Se recomiendan los tipos siguientes:
Siga el mismo procedimiento cuando cambie los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170 por otros acelerantes.
Muy buen funcionamiento: • bombas helicoidales • bombas peristálticas (Bredel) Funcionamiento aceptable: • bombas de membrana No deben utilizarse: • bombas de pistón • sistemas de válvulas de asiento • depósitos a presión Al cambiar de acelerante/activador, es necesario limpiar adecuadamente todo el sistema de dosificación, especialmente la manguera de aspiración, a fin de prevenir cualquier reacción química u obstrucciones del sistema. Nota: No utilice filtros en la manguera de aspiración, porque se pueden formar obstrucciones. Evite aspirar directamente del fondo del tambor/recipiente. Cuando utilice los productos MEYCO® SA160/SA161/ SA162, emplee siempre equipos de dosificación hechos de acero inoxidable u otro material anticorrosivo.
56
Sin embargo, MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170 son compatibles entre sí, y por tanto no se requiere limpiar los equipos ni las mangueras durante cambios de estos productos entre uno y el otro. No obstante, no se recomienda almacenar mezclas de acelerantes libres de álcalis.
3.5.5.9 Requisitos especiales para utilizar los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170 para proyección por vía húmeda Diseño de mezcla • Contenido de cemento mínimo: 400 kg, preferiblemente 450 kg • Cuando se utilicen para el método por vía húmeda, la relación agua/cementante debe oscilar siempre entre 0,4 a 0,5. ¡Debe tenerse en cuenta la humedad (agua) contenida en los agregados! Mientras menor sea la relación agua/cementante, mejores serán los resultados logrados, a saber: – fraguado más rápido – resistencias iniciales más altas – menor dosificación – proyección de capas más gruesas (en clave) Los resultados de una relación agua/cementante >0,5 son los siguientes: – fraguado más lento – resistencias iniciales inferiores – dificultad para aplicar capas mayores de 5 – 7 cm (el concre– to no se adherirá al substrato de roca)
57
• Temperatura: Desarrollo más lento de la resistencia a bajas temperaturas, en comparación con otros tipos de acelerantes Compatibilidad de los productos MEYCO® SA160/SA161/ SA162/SA170 Con los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170 es posible utilizar toda clase de aditivos, incluso el estabilizador Delvo®crete. Almacenamiento de los productos MEYCO® SA160/SA161/ SA162/SA170 Agite siempre estos productos antes de utilizarlos No guarde los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162 en depósitos o tanques de acero. MEYCO® SA170 no requiere precauciones especiales para su almacenamiento.
Resistencia a la compresión: Proyección por robot 12 h 14,5 MPa 24 h 35,5 MPa 3 días 43,5 MPa 28 días 50,0 MPa 100 días 58,0 MPa 120 días 62,0 MPa
Proyección manual 7,0 MPa 19,0 MPa 35,5 MPa
La aplicación por robot ha permitido lograr resistencias muy superiores (mejoras del 100, 87 y 23 % a las 12 horas, 24 horas y 3 días respectivamente). En nuestra opinión, esta mejora se debe a la mejor compactación, resultante de la reducción de la inconveniencia para el operario de tener que utilizar ángulos y distancias de aplicación correctas.
B) MEYCO® SA160 Precauciones de seguridad Los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170 no son cáusticos ni contienen sustancias peligrosas que requieran etiquetas ni precauciones especiales.
3.5.5.10 Resultados típicos de pruebas de campo A) MEYCO® SA145 Heathrow Express, Contratista C/D, Londres OPC 42.5N 355 kg/m3 Pasta de microsílice 60 kg/m3 Agregado (0 – 8 mm) 1670 kg/m3 Fibra metálica (Dramix 30/50) 40 kg/m3 ® Rheobuild 2000PF 9,6 kg/m3 ® Estabilizador Delvo crete 4 kg/m3 Relación agua/cementante ≤0,40 Adición en la boquilla: MEYCO® SA145 25 kg/m3 58
Túnel Hüslen, Suiza Cemento 42.5 (Siggenthal),fraguado lento 450 kg/m3 Rheobuild® T3 (= superplastificante 1,2 % + estabilizador Delvo®crete) (interrupción de la hidratación durante 6 horas) Relación agua/cementante 0,41 Variación de la mesa de asentamiento 56 cm Temperatura del aire +13°C Espesor aplicado 150 mm Adición en la boquilla: 5% MEYCO® SA160 Resistencia a la compresión: 12 h (Hilti) 24 h (Hilti) 3 días 7 días 28 días
18,5 MPa 23,5 MPa 45,0 MPa 49,0 MPa 61,0 MPa
Túnel de Acceso Intermedio (NEAT), Sedrun, Suiza Cemento, CEM I 42.5 450 kg/m3 Pasta de microsílice 50 kg/m3 Agregado (0 – 8 mm) 1644 kg/m3 Rheobuild® T3 1,2 % 59
Relación agua/cementante Variación de la mesa de asentamiento Espesor aplicado Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 Rebote
0,47 53 cm 10 – 15 cm 5% <8 %
Resistencia a la compresión: 4h 12 h 1 día 7 días 28 días 91 días
3,7 MPa 11,3 MPa 27,0 MPa 36,5 MPa 42,0 MPa 48,6 MPa
30 min 1h 4h 24 h 28 días
>0,5 MPa 1 MPa >3 MPa >15 MPa >55 MPa
Pozo Sedrun
Portal y área de instalación
Frente del túnel Túnel de acceso
El Túnel Sedrun, lote 350, es una parte fundamental del Proyecto de Tránsito Ferroviario St. Gotthard Alp, y comprende los cuatro frentes de excavación de los canales de un carril en dirección Norte y Sur, una salida y un punto de uso múltiple en Sedrun. El Túnel Principal Gotthard está diseñado para una longitud aproximada de 57 km, con dos canales de un carril sin túnel de servicio. Su nivel más alto estará a 549 metros sobre el nivel del mar, y está situado al sur del pozo Sedrun. Se prevén salidas para fines de servicio y mantenimiento en Sedrun y Faido. Se ha planificado incluir túneles de comunicación entre los dos canales a intervalos de 650 metros; los mismos contendrán instalaciones ferroviarias y servirán como vías de escape de emergencia.
Ventilación del pozo
Tubería para el transporte pneumático de cemento
Transporte ferroviario
Profundidad ~800 m
Transportador para: · Personal · Material excavado · Materiales de construcción Contrapeso
Planta de mezcla, silos
Túnel principal Gotthard
Excavación Norte
Excavación Sur
Base del pozo
Transporte ferroviario
Figura 11: Túnel Acceso Vertical Sedrun Acceso Vertical NEAT, Sedrun, Suiza Cemento CEM II A-S 32.5R Pasta de sílice Elkem MS Arena (0 – 4 mm) Agregado grueso (4 – 8 mm) GleniumTM T803 (policarboxilato) MEYCO® TCC780 Relación agua/cementante Variación de la mesa de asentamiento
450 kg/m3 40 kg/m3 1032 kg/m3 688 kg/m3 5,4 kg/m3 2 kg/m3 ~0,43 >62 cm (después de 4 h >58 cm)
Adición en la boquilla: MEYCO® SA160
6–8%
Resistencia a la compresión: 6 min
>0,2 MPa
60
El Túnel Sedrun (profundidad 800 m, sección transversal de 57 m2) sirve como túnel de transporte y acceso para el Túnel Principal Gotthard. Soporte de roca: 5000 m3 de shotcrete (espesor de capa: 15 cm) lanzado a través de una tubería de 6 pulg. Revestimiento: 7000 m3 de concreto vaciado in situ (espesor de capa: 30 cm) a través de una tubería de 6 pulg. Túnel Sieberg, Austria Cemento, Gmunder PZ375 (H) Agregado (0 – 8 mm) Rheobuild® T3 Relación agua/cementante Variación de la mesa de asentamiento Adición en la boquilla: 61
425 kg/m3 1680 kg/m3 1,2% 0,45 ~60 cm
MEYCO® SA160 Espesor aplicado Rebote
8 – 10 % 30 – 40 cm 10 – 12 %
Resistencia a la compresión: 6 min 18 min 1h 4h 1 día 28 días
0,25 MPa 0,45 MPa 1,5 MPa 6 – 7 MPa 12 MPa 48 MPa
Uno de los primeros grandes proyectos austríacos en donde se empleó el método por vía húmeda. Volumen: 25 000 m3 de shotcrete. El Túnel Ferroviario Sieberg, con una longitud de 6,5 km, está ubicado en su mayoría en margas blandas con poca sobrecarga (a veces apenas unos cuantos metros). Dos puntos intermedios de acceso permiten la excavación en seis frentes diferentes. Para el soporte de rocas se emplean 30 a 40 cm de shotcrete como recubrimiento principal, y concreto colocado no reforzado como recubrimiento permanente. El inicio del túnel se hizo con shotcrete fabricado por vía seca, utilizando una mezcla de agregados secados al horno y cemento de fraguado rápido. Si bien el sistema era sencillo, factores tales como polvo, rebote y costo dificultaron el control del proyecto. Túnel Irlahüll, Alemania Cemento CEM I 52.5 Cenizas volantes Arena (0 – 2 mm) Agregado triturado (2 – 8 mm) Woerment FM785 (policarboxilato) Woerment Lentan VZ31 (retardador) Relación agua/cementante Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 Resistencia a la compresión: 6 min 30 min 1h 24 h 28 días
62
380 kg/m3 50 kg/m3 763 kg/m3 950 kg/m3 0,6% 0,3% (trabajabilidad: 3 h) 0,5 8 – 10 %
>0,3 MPa 0,7 MPa 1 MPa >15 MPa >45 MPa
El Túnel Irlahüll es parte del Proyecto Ferroviario de Alta Velocidad Nürnberg – Ingolstadt. Longitud del túnel: 7260 m. Geología: piedra caliza, gres, nivel hidrostático localizado por encima de la clave del túnel. Excavación: perforación y voladura con avance de clave, hastial y solera, hasta once avances en paralelo; sección transversal: 150 m2; longitud de avance: 0,8 – 2,0 m. Soporte de roca: 20 – 40 cm de shotcrete utilizando diez spraymobiles MEYCO®; con refuerzo de malla electrosoldada, anclaje con pernos y soporte de frente cuando se requirió. Galleria di Orte, Italia Cemento CEM 42.5 Humo de sílice MEYCO® MS610 Agregado (0 – 8 mm) GleniumTM T801 (policarboxilato) Relación agua/cementante Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 Espesor aplicado Rebote Resistencia a la compresión: 24 h 2 días 3 días 7 días 28 días
500 kg/m3 15 kg/m3 1650 kg/m3 0,8% 0,45 6,5 % 25 – 40 cm <8 %
>14 MPa >23 MPa >27 MPa >36 MPa 45 MPa
Requisitos de la obra: 10 000 m3 de shotcrete a aplicarse en 9 semanas; espesor de capa: 200 – 300 mm. Resultados: se incrustaron cerchas metálicas en capas de una pasada de 50 mm de espesor; fraguado final: 4 minutos. Túnel La Palma de Santa Cruz, Palmas de Gran Canarias, España Cemento CEM II 42.5 A – P 450 kg/m3 Arena (0 – 6 mm) 1430 kg/m3 Agregado (6 – 12 mm) 260 kg/m3 ® Rheobuild 1000 EPS 7,6 kg/m3 Relación agua/cementante 0,40 Asentamiento 14 – 16 cm Espesor aplicado 20 – 30 cm Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 7–9% 63
Rebote
10 %
Resistencia a la compresión: 24 h 3 días (núcleos in situ) 28 días (núcleos in situ)
16 MPa 22 MPa >30 MPa
Túnel North Downs, enlace ferroviario de túnel de canal, Reino Unido CEM I 52.5 360 kg/m3 Cenizas volantes 90 kg/m3 Arena 1038 kg/m3 Agregados triturados 692 kg/m3 TM Glenium T801 (policarboxilato) 3 kg/m3 ® Estabilizador Delvo crete 4 kg/m3 (trabajabilidad 6 h) Relación agua/cementante <0,40 Asentamiento (objetivo) 200 mm Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 5 % (promedio) (avance de clave 5 – 7 %; hastial/solera 3,5 – 4,5 %) Permeabilidad (in situ) 1 x 10-12 m/s Resistencia a la compresión: 6 min 30 min 1h 24 h 3 días 28 días 56 días
>0,18 MPa >0,3 MPa >0,5 MPa 19,5 MPa 26 MPa >36 MPa >42 MPa
El Túnel North Downs es un túnel doble de perforación sencilla; sección transversal de excavación: 140 m2, longitud aproximada. 3,5 km. Características: vida útil de 120 años; capa primaria de shotcrete; capa secundaria de concreto vaciado in situ; estanco y pirorresistente; tanto el cliente como el contratista seguirán utilizando la metodología de shotcrete permanente. Túnel Cabo Norte, Noruega Cemento, CEM I 52.5R Microsílice Agregado (0 – 8 mm) Fibra metálica EE (25 mm) 64
520 kg/m3 25 kg/m3 1700 kg/m3 50 kg/m3
Plastificante (lignosulfonato) Superplastificante (melamina) Estabilizador Delvo®crete MEYCO® TCC735 Relación agua/cementante Asentamiento Espesor aplicado Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 Rebote Resistencia a la compresión: 1h 4h 24 h 28 días
2,5 kg/m3 4 – 5 kg/m3 2 kg/m3 5 kg/m3 0,45 20 – 21 cm 25 – 50 cm 8% <5 %
>2 MPa >7 MPa >30 MPa >40 MPa
La mitad del túnel está en roca esquistosa deficiente, lo cual causa muchos desprendimientos. La técnica original consistió en un recubrimiento de concreto total in situ por ciclo (longitud de ciclo: 2 m), con espesor promedio de concreto mayor de 1 m. La clave del éxito de este proyecto fue la posibilidad de una proyección ininterrumpida del espesor necesario con alta capacidad. Utilizando el diseño de mezcla antedicho, se lanzó un espesor de capa promedio de 250 mm, a 36 – 42 m3 por ciclo; tiempo de colocación: 2 – 2,5 horas. Como consecuencia, se logró una velocidad por ciclo de 2 a 3 veces mayor de 30 – 45 m por semana y frente. Se logró una resistencia a los 28 días superior a la requerida de 30 MPa. Estación en el Teatro Nacional de Oslo, Noruega (Prueba. Contratista: Selmer ASA. Equipo: MEYCO® Roadrunner.) Cemento 52.5 500 kg/m3 Microsílice 25 kg/m3 Agregado (0 – 9 mm) 1530 kg/m3 ® Rheobuild 716 8,25 kg/m3 ® Estabilizador Delvo crete 2 kg/m3 Relación agua/cementante 0,42 Asentamiento ~20 cm Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 8% Resistencia a la compresión: 30 min 1h 65
>1,0 MPa >2,2 MPa
2h 4h 28 días
>4,5 MPa >9 MPa >50 MPa
Túnel Sveti Marko, Eslovenia Cemento, PC-30-45S Arena de río (0 – 1 mm) Arena triturada (0 – 4 mm) Grava (4 – 8 mm) GleniumTM T801 (policarboxilato) Estabilizador Delvo®crete Relación agua/cementante Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 Resistencia a la compresión: 24 h 28 días
450 kg/m3 260 kg/m3 780 kg/m3 690 kg/m3 0,42% 0,18% 0,48 8%
20 MPa 45 MPa
Roca totalmente degradada. Construcción con bóveda continua entubada a lo largo del túnel.
Túnel Bolu, Proyecto Autopista en Anatolia, Turquía Cemento CEM 42.5 500 kg/m3 Humo de sílice 25 kg/m3 Agregado (0 – 5 mm) 1186 kg/m3 Agregado (5 – 12 mm) 474 kg/m3 Fibra metálica 50 kg/m3 Rheobuild® 716 10 kg/m3 Relación agua/cementante 0,42 Adición en la boquilla: 35 kg/m3 MEYCO® SA160 Resistencia a la compresión: 4 h (Hilti) 8 h (Hilti) 12 h (Hilti) 24 h (núcleos in situ) 3 días (núcleos in situ) 7 días (núcleos in situ) 28 días (núcleos in situ)
66
5,2 MPa 12,2 MPa 13,9 MPa 15,5 MPa 31,8 MPa 42,5 MPa 55,8 MPa
Difíciles condiciones del terreno: metasedimentos arcillosos y de cenizas de estructura basta; elevadísimo comportamiento plástico del suelo (inesperado); deformaciones más allá de los límites; zonas geológicas sobreforzadas desde el punto de vista tectónico (lo cual requiere altas resistencias iniciales y finales). Proyecto de Cuele Vertical, Johannesburg, República Sudafricana Cemento CEM I 52.5 475 kg/m3 Cenizas volantes (Super Poz) 75 kg/m3 Humo de sílice 38 kg/m3 Arena Stella (arena de río, 0 – 2 mm) 160 kg/m3 Arena triturada 1080 kg/m3 Piedra (6, 7 mm) 262 kg/m3 Fibra monofilamento Fibrin 0,9 kg/m3 Fibra metálica inoxidable Dramix 40 kg/m3 Delvo®crete 4,0 kg/m3 MEYCO® TCC735 5,0 kg/m3 TM Glenium T801 (policarboxilato) 4,6 kg/m3 Relación agua/cementante 0,36 Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 6–7% Resistencia a la compresión: 24 h 2 días 3 días 7 días 28 días 56 días
15 MPa 30 MPa 56 MPa 76 MPa 86 MPa 95 MPa
Cuele vertical (profundidad final: 3000 m, 9 m de diámetro) a través de un pilar preextraído y rellenado a 2335 m para acceder un depósito masivo a profundidades >2500 m. Requisitos especiales: buena retención del asentamiento para descarga desde el caldero; fraguado rápido para aplicar hasta 100 mm/pasada en condiciones sumamente húmedas; alta durabilidad en un área de mantenimiento difícil; alta ductilidad para evitar fisuración debida al movimiento del suelo; resistencia temprana para evitar estallidos por deformación. Instalación hidroeléctrica Sondu Miriu, Kenia Bamburi OPC Tipo 1 422 kg/m3 Arena de río 966 kg/m3 Agregado triturado (5 – 10 mm) 655 kg/m3 67
GleniumTM T803 (policarboxilato) Relación agua/cementante Asentamiento Contenido de aire Adición en la boquilla: MEYCO® SA160
7%
Resistencia a la compresión: 24 h 3 días 28 días
11,5 MPa 22 MPa 32 MPa
0,45% <0,45 100 mm 5,5 %
Difícil acceso al sitio de la obra. Se utilizó shotcrete como revestimiento temporal previo al revestimiento de concreto final. Estación Quarry Bay, Contratista MTRC 680, Hong-Kong OPC 42.5 400 kg/m3 Microsílice 40 kg/m3 Cenizas volantes 60 kg/m3 Agregado (0 – 10 mm) 1640 kg/m3 ® Rheobuild 561 10 kg/m3 Relación agua/cementante 0,40 Asentamiento 20 cm Adición en la boquilla: 6% MEYCO® SA160 Espesor aplicado 20 cm Resistencia a la compresión: 8h 1 día 7 días 28 días
13,5 MPa 23 MPa 35 MPa 52 MPa
Contratista: Nishimatsu Construction Company Ltd. Equipo: máquina de proyección Aliva Duplo 285, unidad dosificadora MEYCO® Mix 200 y sistema de boquilla MEYCO®. Túneles Blackhill, Contratista MTRC 603, Hong-Kong OPC 350 kg/m3 Cenizas volantes 110 kg/m3 Relleno de roca triturada 1065 kg/m3 Agregado (10 mm) 540 kg/m3 ® Rheobuild 561 5,5 – 6 kg/m3 Relación agua/cementante <0,45 68
Adición en la boquilla: MEYCO® SA160
6–7%
Resistencia a la compresión: 7 días 28 días
25 MPa 38 – 40 MPa
Aproximadamente 8 km de perforación y voladura de túnel, con complejos laterales centrales, cross-overs y ampliaciones. Túneles Tai Lam, Contratista KCRC West Rail No. DB350, Hong-Kong OPC 345 kg/m3 Cenizas volantes 115 kg/m3 Arena de río 615 kg/m3 Finos de roca triturada 410 kg/m3 Agregado (10 mm) 565 kg/m3 Fibra metálica Dramix ZP305 45 kg/m3 ® Rheobuild 561 5,5 kg/m3 ® Estabilizador Delvo crete 2 – 4 kg/m3 Relación agua/cementante 0,45 Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 26 kg/m3 Resistencia a la compresión: 24 h 28 días
12 MPa 28 MPa
Contratista: Nishimatsu Construction Company Ltd. Túnel de ferrocarrill con doble vía, usando MEYCO® Spraymobiles. Previstos 8000 m3 de concreto lanzado reforzado con fibra metálica Dramix ZP305. Cavernas de Roca, Singapur Cemento Humo de sílice MB-SF Arena Gravilla Relleno de roca triturado Fibra metálica GleniumTM T803 (policarboxilato) Estabilizador Delvo®crete (trabajabilidad 3 h) Relación agua/cementante Asentamiento objetivo en la planta 69
470 kg/m3 20 kg/m3 720 kg/m3 610 kg/m3 220 kg/m3 56 kg/m3 3,4 kg/m3 1,7 kg/m3 <0,42 180 ±20 mm
Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 Rebote de fibra metálica
5–7% 7%
Resistencia a la compresión: 7 días (ensayos) 28 días (ensayos) 28 días (producción)
29 – 32 MPa 37 – 41 MPa 43 – 44 MPa
Autopista Dali Baoshan, China Cemento 42.5R Agregado (0 – 10 mm) Fibra metálica Dramix Rheobuild® 561 Relación agua/cementante Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 Resistencia a la compresión: 24 h 28 días
420 kg/m3 1700 kg/m3 50 kg/m3 1% 0,45 5%
>25 MPa >40 MPa
El principal beneficio en el uso de MEYCO® SA160 se refiere a las condiciones geológicas del proyecto – arcilla expansiva. Se puede obtener suficiente espesor y la resistencia inicial necesaria en una sola capa. Túneles Burnley y Domain, Melbourne City Link, Australia OPC 430 kg/m3 Microsílice 20 kg/m3 Agregado (0 – 8 mm) 1680 kg/m3 Fibra metálica BHP (25 mm) 50 kg/m3 Pozzolith® 370 4,8 kg/m3 ® Rheobuild 716 4,8 kg/m3 Relación agua/cementante 0,40 Asentamiento 14 cm Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 8% Rebote <10 % Resistencia a la compresión (núcleos in situ): 1 día 18 MPa 7 días 34 MPa 28 días 48 MPa 70
El Túnel Burnley tendrá 3,4 km de longitud y en su punto más profundro tendrá 65 m bajo tierra. El Domain Tunel tendrá 1,6 km de longitud y 25 m bajo tierra en el punto más profundo. Una vez construidos cada tunel tendrá 11,5 m de ancho, con una altura libre de 4,9 m. Los túneles estuvieron soportados por arcos de acero y pernos de anclaje grouteados en huecos perforados, cubiertos con un revestimiento de concreto, aplicado con cuatror spraymobiles MEYCO®. Túnel Cameron Run, Virginia (EE. UU.) Cemento 420 kg/m3 Arena 1290 kg/m3 Agregado grueso 480 kg/m3 Fibra metálica Xorex 38 mm 35 kg/m3 Polyheed 997 0,8% Relación agua/cementante 0,42 Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 8% Resistencia a la compresión: 24 h
13,7 MPa
Reparación de tunel de alivio bajo vía de ferrocarril con muy poco recubrimiento superior. El proyecto incluyó la colocación del revestimiento de acero en su posición original y el realineamiento de las costillas de acero y concreto lanzado reforzado con fibras. El desarrollo inicial de resistencias es crucial. Aeropuerto Dulles, túnel de acceso peatonal, Virginia (EE. UU.) Cemento 470 kg/m3 Arena 1170 kg/m3 Agregado grueso 525 kg/m3 Fibra metálica Xorex 38 mm 40 kg/m3 Polyheed 997 0,8% Estabilizador Delvo®crete 1% Relación agua/cementante 0,39 Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 6% Resistencia a la compresión: 10 h 24 h
71
14 MPa 19,3 MPa
El túnel (diámetro 5 m, longitud 300 m) será excavado por el método NATM. Por su ubicación bajo pistas en servicio, es crucial el desarrollo temprano de resistencia. Túnel NuMI, Illinois (EE. UU.) Cemento Arena Agregado grueso Fibra metálica Xorex 38 mm Rheomac SF100 Polyheed 997 Estabilizador Delvo®crete Relación agua/cementante Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 Resistencia a la compresión: 8h
440 kg/m3 1150 kg/m3 565 kg/m3 60 kg/m3 30 kg/m3 1% 0,5 – 2% 0,45 6%
10,3 MPa
Fermi Laboratories está construyendo un túnel de aceleración para desdoblamiento de átomos. El túnel TBM (diámetro 7 m, longitud 1,8 km) utilizará concreto lanzado reforzado con fibra metálica para revestimiento inicial y para revestimiento final sin refuerzo. Belo Horizonte Metro, Brasil
400 kg/m3 1686 kg/m3 1 kg/m3 3 kg/m3 0,45 10 cm
OPC Agregado (0 – 12 mm) Mastermix® 390 Rheobuild® 716 Relación agua/cementante Asentamiento Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 Espesor aplicado Rebote
8% 20 cm <10 %
Resistencia a la compresión: 3 días 7 días 28 días
19 MPa 24 MPa 32 MPa
Túnel Buenavista, Villavicencio, Colombia OPC, CEM I 42.5 460 kg/m3 Microsílice 19 kg/m3 Agregado (0 – 16 mm) 1770 kg/m3 ® Rheobuild 716 7,2 kg/m3 Relación agua/cementante 0,39 Asentamiento 18 – 20 cm Adición en la boquilla: 6% MEYCO® SA160 Espesor aplicado 20 cm Resistencia a la compresión: 10 min 24 h 28 días
0,7 MPa 14 MPa 39 MPa
Túnel de carretera con una longitud de 4,9 km. Volumen de shotcrete: 10 000 m3, Contratista: Recchi G.L.F.
Figura 12: La aplicación del shotcrete en el túnel Heliopolis del Metro de Belo Horizonte se hizo mediante un equipo Roadrunner de MEYCO®. 72
Proyecto de Planta Hidroeléctrica Miel 1, Colombia Cemento 490 kg/m3 Agregado (0 – 4 mm) 900 kg/m3 Agregado (5 – 12 mm) 750 kg/m3 Rheobuild® 716 1,2% Fibras metálicas 35 kg/m3 Relación agua/cementante 0,45 Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 7% 73
Resistencia a la compresión: 30 min 1h 6h 14 h 28 días (núcleos in situ) Túneles Lo Prado 2 y Zapata 2, Chile Cemento Melón AR Agregado (0 – 8 mm) Fibra metálica Dramix RC-65/35-BN Pozzolith® 322N Rheobuild® 1000 EPS Estabilizador Delvo®crete Relación agua/cementante Asentamiento Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 Rebote
>0,5 MPa >0,6 MPa >1,9 MPa >5,6 MPa >26 MPa
400 kg/m3 1760 kg/m3 40 kg/m3 0,5% 1,5% 0,4% 0,46 >15 cm 7% <5 %
Adición en la boquilla: MEYCO® SA161 Espesor aplicado Rebote
7,5 % 10 – 15 cm <5 %
Resistencia a la compresión: 30 min 28 días
0,8 – 0,9 MPa ~42 MPa
Con una longitud final de 24 km, el Túnel Lærdal es actualmente el túnel de carretera más largo del mundo. Tiene una elevada carga y durante la excavación se produjeron fuertes desprendimientos de rocas. Para solucionar éstos y otros problemas así como también para reducir las grietas en el shotcrete, se hizo un ajuste del diseño de mezcla original y así se mejoró el rendimiento del concreto de manera significativa.
Para aumentar la capacida de la Ruta 68, entre Santiago de Chile y las ciudades de Valparaiso y Viña del Mar, se construyen dos nuevos túneles paralelos a los existentes, ambos túneles con una sección de 72 m2, y longitudes de 2700 m – Lo Prado 2 y 700 m – Zapata 2. El revestimineto final es concreto lanzado en una sola capa.
Túnel Frøya, Noruega Cemento, CEM 42.5 Microsílice Agregado (0 – 10 mm) Fibra metálica Dramix 30/50 GleniumTM T801 MEYCO® TCC735 Relación agua/cementante Asentamiento Adición en la boquilla: MEYCO® SA161 Espesor aplicado Rebote
C) MEYCO® SA161
Resistencia a la compresión: 15 – 20 min 28 días (núcleos in situ)
Resistencia a la compresión: 4h 24 h 28 días
Túnel Lærdal, Norway Cemento, CEM 42.5 Microsílice Agregado (0 – 8 mm) Fibra metálica Dramix 30/50 GleniumTM T803 MEYCO® TCC735 Relación agua/cementante Asentamiento 74
>1 MPa >20 MPa >40 MPa
439 kg/m3 30 kg/m3 1670 kg/m3 44 kg/m3 2,7 kg/m3 5 kg/m3 0,42 20 – 22 cm
480 kg/m3 33 kg/m3 1530 kg/m3 44 kg/m3 1,8 kg/m3 5 kg/m3 0,38 16 – 17 cm 7,5 % 15 – 25 cm 5–6%
1 MPa 47 MPa
Túnel de carreteras submarino, caracterizado por zonas extremadamente difíciles con fuertes entradas de agua y rocas deficientes. Longitud del túnel: 7 km. Estación de la Planta Nuclear Hamaoka, Japón Cemento 380 kg/m3 Arena (0 – 4 mm) 1124 kg/m3 Agregado (4 – 10 mm) 726 kg/m3 NT 1000 (policarboxilato) 1,25% 75
Relación agua/cementante Asentamiento at batching plant Contenido de aire Adición en la boquilla: MEYCO® SA161
<0,50 17 cm 4,5 % 5 % (promedio)
Resistencia a la compresión: 3h 24 h 7 días 28 días
>1 MPa >6,5 MPa >24 MPa >34 MPa
La construcción de un reactor nuclear adicional hizo necesaria la construcción de un tunel de cables (sección 14,6 m2, longitud 400 m). Se utilizó concreto lanzado en unas sola capa de 150 mm para soporte inicial. Estación de subterráneo Shirogane Dai en Tokio, Japón Cemento 450 kg/m3 Arena (0 – 4 mm) 1113 kg/m3 Agregado (4 – 8 mm) 500 kg/m3 Fibra metálica Bridgestone 30/60 40 kg/m3 NT 1000 (policarboxilato) 1,7% Estabilizador Delvo®crete 1% Relación agua/cementante 0,40 Adición en la boquilla: 8% MEYCO® SA161 Resistencia a la compresión: 3h 24 h 7 días 28 días
>3,6 MPa >13,9 MPa >32 MPa >42 MPa
Concreto lanzado para protección contra la corrosión y contrafuego de un revestimiento metálico en el area de la estación. El espesor de la capa varió de 80 – 400 mm, todo el concreto se lanzó en una sola pasada sobre la superficie de acero.
76
D) MEYCO® SA162 Túnel S. Giacomo en Bolzano, Italia Cemento II AL 42.5 Agregado (0 – 8 mm) Rheobuild® 5000 Relación agua/cementante Adición en la boquilla: MEYCO® SA162 Espesor aplicado Espesor de capa individual Rebote Inicio del fraguado
8% 40 – 80 cm 15 – 20 cm <5 % 45 – 60 min
Resistencia a la compresión: 6 min 10 min 20 min 30 min 1h 5h 24 h 28 días
>0,4 MPa >0,55 MPa >0,7 MPa >0,85 MPa >1,2 MPa >4,5 MPa >12 MPa >32 MPa
480 kg/m3 1560 kg/m3 1,5 % <0,47
Túnel de carretera de 2,3 km. Las especificaciones técnicas cumplen con las normas austríacas (SpB 25 – 56/II/J2). Temperaturas invernales sumamente bajas. Excavación por perforación y voladura a través de roca ígnea, con desprendimientos de hasta 80 cm o más. Avance de la obra: 24 m3 por hora.
E) MEYCO® SA170 Túnel Kienberg, Austria Cemento CEM II/A-S 42.5R Agregados: 0,1 – 0,4 mm triturados 0 – 4 mm redondos 0 – 4 mm triturados 4 – 8 mm triturados GleniumTM 51 (polycarboxilato) Estabilizador Delvo®crete (trabajabilidad 4 – 5 h) Relación agua/cementante 77
420 kg/m3 105 kg/m3 650 kg/m3 470 kg/m3 525 kg/m3 0,5 % 0,5 % 0,48
Adición en la boquilla: MEYCO® SA170
7%
Resistencia a la compresión: 6 min 1h 24 h 7 días 28 días
>0,25 MPa >0,8 MPa >14 MPa >28 MPa >38 MPa
El Kienberg es un túnel doble de dos carriles, de 1,5 km de largo, situado en la autopista Phyrn de la región norte de Austria y construido a lo largo de una zona de roca fracturada y diaclasada. El soporte de rocas típico utilizado para un avance de 1,3 m consiste en entibos, cerchas, doble malla electrosoldada, 20 cm de shotcrete y pernos de roca de 4 – 6 m completamente grauteados. Un requisito fundamental de este proyecto era disponer de un shotcrete de buen rendimiento, debido a las altas velocidades de excavación (6 avances diarios) y al mayor espesor de capa requerido en vista de los frecuentes desprendimientos. Inmediatamente después de la aplicación del shotcrete se procedía a realizar el bulonado y la perforación para la entibación. El desarrollo de la resistencia inicial debía satisfacer los requisitos de la norma austríaca J2. Túnel Strengen, Austria Cemento CEM II/A-S 42.5R Agregados: 0 – 4 mm triturados 4 – 8 mm triturados GleniumTM 51 (polycarboxilato) Relación agua/cementante Adición en la boquilla: MEYCO® SA170
5,5 %
Resistencia a la compresión: 6 min 1h 24 h 7 días 28 días
>0,3 MPa >0,9 MPa >15 MPa >36 MPa >48 MPa
420 kg/m3 1380 kg/m3 450 kg/m3 0,5 % 0,45
El Strengen, un túnel doble de dos carriles de 5,8 km, es un paso alterno situado en el trecho final de la conexión de la autopista oriente-occidente en Austria. Cada canal tiene una sección transversal 78
típica de 80 m2, la cual se excava en secuencia clave-hastial por perforación y voladura. La masa rocosa está compuesta principalmente por roca sumamente metamórfica, laminada y cortada (cuarzo filita). El soporte de roca típico para un avance de 1,5 m consiste en cerchas, doble malla electrosoldada, 20 cm de shotcrete y pernos de roca de 4 – 6 m completamente grauteados. El desarrollo de la resistencia inicial debía satisfacer los requisitos de la norma austríaca J2. El consumo general de acelerante podía mantenerse bastante bajo. Túnel Blisadona, Austria Cemento PZ 375 Agregado (0 – 2, 0 – 4, 4 – 11 mm) GleniumTM T801 (policarboxilato) Estabilizador Delvo®crete 10 Relación agua/cementante Adición en la boquilla: MEYCO® SA170
7,5 % (promedio)
Resistencia a la compresión: 6 min (Hilti) 10 min (Hilti) 30 min (Hilti) 1 h (Hilti) 3 h (Hilti) 6 h (Hilti) 12 h (Hilti) 24 h (Hilti) 7 días (núcleos in situ) 28 días (núcleos in situ)
>0,32 MPa >0,42 MPa >0,59 MPa >0,78 MPa >2,6 MPa >5 MPa >8 MPa >20 MPa 25 MPa 31 MPa
420 kg/m3 1750 kg/m3 0,6 – 0,7% 0,4% (trabajabilidad 7 h) <0,5
El túnel doble de ferrocarril de 2,4 km en el lado oeste del túnel Arlberg requirió de concreto lanzado de fraguado extremadamente rápido por la copiosas filtraciones de agua encontradas. Túnel Girsberg, Suiza Cemento CEM I 42.5 Arena (0 – 4 mm) Agregado redondo natural (4 – 8 mm) Rheobuild® T3 Relación agua/cementante Adición en la boquilla: MEYCO® SA170 79
425 kg/m3 1060 kg/m3 640 kg/m3 1% 0,47 6%
Resistencia a la compresión: 6 min 30 min 1h 24 h 28 días
>0,3 MPa >0,8 MPa >1 MPa >15 MPa >55 MPa
El túnel Girsberg Tunnel es parte de la Autopista Kreuzlingen – Konstanz. Las condiciones de la roca son muy difíciles, con arcillas de rápido deteriroro y gran ingreso de agua.
80
Capítulo 4 Avances en la tecnología de aditivos para el shotcrete
4.1
Sinopsis
Dada la escasez de tierra urbana y la prioridad que se le está dando al efecto que tienen los proyectos de infraestructura sobre el medio ambiente, cada vez se construyen más sistemas de servicios públicos y de transporte bajo tierra. Debido a ello se ha impulsado la utilización de shotcrete en todo el mundo. Antiguamente el uso del shotcrete involucraba tener que hacer concesiones entre varios factores, entre los que se contaban las resistencias iniciales y finales, flexibilidad y viabilidad económica. Sin embargo, el desarrollo de nuevas generaciones de aditivos ha llevado a mejoras fundamentales del material y a nuevos campos de aplicación del shotcrete. A continuación presentamos dos nuevas tecnologías desarrolladas por MBT: • Delvo®crete, un sistema de control de hidratación que aumenta la flexibilidad y la calidad en la utilización del shotcrete y que ha desarrollado aún más el método de vía húmeda, contribuyendo así a mejorar las condiciones de trabajo y a disminuir los costos relacionados con los factores de polvo y rebote. • Un nuevo sistema que permite un curado eficiente y confiable del shotcrete.
4.2
Delvo®crete
Tanto el abastecimiento como la utilización de mezclas de shotcrete para proyectos de infraestructura en entornos congestionados crea problemas para la empresa contratista y para la abastecedora del concreto ya mezclado.
81
Las mezclas de shotcrete, (por vía húmeda o por vía seca), tienen un tiempo útil de empleo de apenas 1,5 a 2 horas, e incluso menor a temperaturas mayores de 20°C. Al cabo de este tiempo, el material proyectado exhibirá menor resistencia y mayor rebote debido a la incipiente hidratación del cemento. Factores tales como las grandes distancias de transporte desde la planta hasta el sitio de la obra, los retrasos en los pasos de construcción así como los tiempos de parada debidos a desperfectos de las maquinarias, contribuyen a que una gran cantidad del shotcrete esté ya hidratado para el momento en que se va a utilizar. Además de ello, ciertos reglamentos ambientales imponen restricciones del horario de trabajo de las plantas de concreto situadas en áreas urbanas. Así, es posible que un contratista que requiera mezclas de shotcrete durante las 24 horas del día, reciba el material solamente durante la mitad de este tiempo. Todo esto acarrea costos adicionales innecesarios tanto para el contratista como para el cliente.
proyección – al igual que los acelerantes convencionales de aluminato o silicato –, para acelerar el fraguado y obtener las altas resistencias iniciales requeridas en las aplicaciones de soporte de rocas. El sistema Delvo®crete, introducido en el mercado europeo en 1990, prolonga el tiempo de utilización de las mezclas de shotcrete (por vía húmeda o seca) por períodos hasta de 72 horas. De esa manera se eliminan muchos de los problemas asociados con la producción y aplicación de mezclas de shotcrete que frecuentemente enfrentan contratistas, productores de concreto e ingenieros. El sistema Delvo®crete para el control de la hidratación brinda flexibilidad a la producción y a la proyección de mezclas de concreto en grandes proyectos subterráneos, y al mismo tiempo ofrece ahorros considerables a contratistas, propietarios y productores de concreto.
Mezcla seca estabilizada
Aire
MBT ha creado un sistema químico para controlar la hidratación del cemento en mezclas de shotcrete (tanto por vía húmeda como seca), que permite alargar substancialmente su tiempo de utilización.
4.2.1
Bomba de vía seca
Boquilla
Bomba dosificadora
Agua y «activador» líquido
Agua
Introducción Shotcrete activado
Activador
En 1987 MBT desarrolló un sistema líquido de dos componentes y sin cloruros para el control de la hidratación de residuos de concreto. Este sistema, combinado con el reciclaje del agua de lavado de la mezcladora de concreto, permitió a muchos productores de concreto eliminar los problemas asociados con los residuos de sus plantas de concreto. El sistema está formado por dos componentes: el primero es el estabilizador Delvo®, el cual es capaz de inhibir la hidratación de cementos Portland hasta por 72 horas. El segundo componente es el activador Delvo®, un acelerante de hidratación que se agrega al concreto estabilizado antes de colocarlo. En 1989 MBT adaptó el sistema de control de hidratación para uso en shotcrete. El estabilizador Delvo®crete es similar al utilizado para tratar el concreto devuelto, y se desarrollaron varios activadores Delvo®crete para iniciar la hidratación del cemento. Los activadores Delvo®crete son añadidos a la mezcla de shotcrete en la boquilla de 82
Figura 13: Control de hidratación en shotcrete fabricado por vía seca También garantiza que todo el shotcrete por la boquilla contenga un cemento «fresco» que haya sufrido poca o ninguna reacción de hidratación. Este sistema ha revolucionado el uso del shotcrete (en particular, el de vía húmeda), y actualmente se utiliza en una gran cantidad de proyectos importantes en Europa, América, el Medio Oriente y el Lejano Oriente.
83
mos resultados podrían obtenerse cuando se emplean sistemas robóticos. Mezcla húmeda estabilizada
Hasta ahora, el uso del shotcrete por vía húmeda ha significado tener que hacer concesiones entre varios factores tales como alto asentamiento, baja relación agua/cementante, largo tiempo de utilización, fraguado rápido y alta resistencia inicial, todo lo cual supone problemas para contratistas, productores de concreto y clientes porque crea una gran cantidad de material de desecho debido al rebote, al lavado de bombas y mangueras y al desecho de cantidades de shotcrete que han perdido su trabajabilidad (p. ej., porque están muy viejas). A continuación, es necesario sacar dichos residuos del sitio de excavación subterránea y desecharlos, creándose así costos adicionales innecesarios para el contratista, quien probablemente tiene un presupuesto calculado para cierta cantidad de rebote y sobreproyección, pero no para el transporte y la eliminación de residuos, ni tampoco por el residuo creado al eliminar cargas de shotcrete y lavar bombas y mangueras debido a las interrupciones por desperfectos de equipos o retrasos de la operación de proyección en el frente de excavación.
Aire Compresor
Bomba de vía húmeda Boquilla
Bomba dosificadora
«Activador» líquido
Activador
Shotcrete activado
Figura 14: Control de hidratación en shotcrete fabricado por vía húmeda
4.2.2
Shotcrete fabricado por vía húmeda El shotcrete fabricado por vía húmeda tiene una ventaja indiscutible sobre el de vía seca: es un concreto genuino, y como tal, la relación agua/cementante se controla en la planta de concreto y no depende del operario de la boquilla. Las mezclas fabricadas por vía húmeda tienen también un tiempo de utilización de 1,5 a 2 horas, lo cual significa que la mezcla de concreto debe bombearse y lanzarse rápidamente después del mezclado. Esto no es siempre posible en grandes proyectos de construcción subterránea. Dadas las grandes distancias de transporte desde la planta de concreto hasta el sitio de proyección y aplicación, así como también los retrasos y las interrupciones debidas a desperfectos de las maquinarias en el frente de excavación, gran parte del shotcrete utilizado ha pasado su tiempo límite de uso. En trabajos de soporte de rocas que utilicen shotcrete fabricado por vía húmeda, es posible que un operario de boquilla experimentado, que realice la proyección de un concreto fresco bien diseñado y acelerado, logre un rebote aproximado del 10 al 15 por ciento. Los mis-
84
4.2.3
Dosificación y transporte del shotcrete fabricado por vía húmeda La dosificación de mezclas de shotcrete no debería representar problema alguno para un abastecedor de concreto experimentado. Sin embargo, la situación de la planta de concreto con respecto al sitio de la obra es un factor crítico. Muchas áreas urbanas prohíben el establecimiento de plantas de concreto. Dado que la mayoría de los grandes proyectos de infraestructura subterránea (tales como túneles y sistemas de metro) están en áreas urbanas densamente pobladas, con frecuencia hay que transportar las mezclas de concreto por largas distancias hasta el sitio de la obra. Por tal motivo, muchos de estos materiales ya han pasado su tiempo de utilización antes de que lleguen y se descarguen en la obra. A esto se suma el tiempo que toma el lanzar el shotcrete de un camión lleno del material, así como retrasos de otra índole. Con todo esto, es razonable suponer que mucho del shotcrete aplicado en proyectos de infraestructura urbana subterránea sea de calidad cuestionable.
85
Proceso acelerado con el acelerante MEYCO®
Manufactura
+
Entrega
+
Consumo
4.2.4
1–2 horas Hidratación controlada por el estabilizador Delvo®crete
Manufactura
+
Entrega
La desventaja del «trixer» es que tiene una capacidad suficiente para dosificar sólo unos 6 m3 de shotcrete. Eso implica que, en una obra en que se proyecten 10 m3/h con un robot de proyección, se requerirá un mínimo de dos «trixers» (o incluso más en caso de que se esté trabajando en dos frentes al mismo tiempo).
El activador Delvo®crete S reactiva y acelera el proceso
Control de la hidratación del cemento Las características de fraguado, endurecimiento y resistencia del cemento Portland dependen de la reacción del cemento con agua. El producto de esta reacción es un material rígido conocido como gel de hidrato de silicato de calcio (CSH, por sus siglas en inglés).
+ Almacenamiento intermedio + Consumo
3–72 horas
Figura 15: Delvo®crete brinda una flexibilidad total para la aplicación del shotcrete. Incluso si se han obtenido los permisos y el espacio para erigir una planta dosificadora de concreto para un proyecto subterráneo urbano, muchas veces se imponen reglamentos ambientales locales que especifican horarios diurnos para el funcionamiento de tales plantas. En casos así, es imposible conseguir abastecimientos nocturnos del shotcrete, lo cual es un problema para un proyecto que funcione 24 horas diarias, 7 días de la semana. Para resolver algunos de los problemas logísticos asociados con el transporte de shotcrete a proyectos subterráneos, y garantizar el abastecimiento de mezclas frescas de concreto en el frente de la roca, algunos fabricantes de equipos han creado mezcladores transportables o «trixers». Los «trixers» son miniplantas de concreto montadas en la parte posterior de un vehículo transportador o camión, que contienen compartimentos separados para almacenar cemento, agregados y agua. El procedimiento consiste en cargar el mixer con materiales en la planta dosificadora o en una localidad de almacenaje y seguidamente transportarlo hacia la excavación subterránea. Al llegar, los materiales son dosificados y mezclados para producir una mezcla fresca de shotcrete (de vía seca o húmeda). 86
Figura 16: A medida que el shotcrete fragua, se produce la floculación de los hidratos formados por la hidratación del cemento. Esta reacción, conocida como hidratación, provoca una rápida liberación de iones de calcio en la solución, y forma una capa de gel de CSH alrededor de las partículas de cemento. A medida que el concreto se fragua, se produce la floculación de los hidratos formados por la hidratación del cemento; mediante este proceso, el concreto plástico y trabajable se convierte en un material rígido (véase la fig. 16). El estabilizador Delvo®crete puede controlar la hidratación de mezclas de cemento por períodos hasta de 3 días. Este producto, una vez bien dispersado en una mezcla de concreto, controla la rapidez de hidratación del cemento formando un complejo de iones cálcicos en la superficie de las partículas de cemento (véase la fig. 17). 87
Hay dos manera de lograr las características normales de fraguado y endurecimiento del concreto: una es permitir que desaparezca el efecto del Delvo®crete, y la otra es agregar el activador Delvo®crete al concreto para eliminar la barrera protectora que rodea las partículas de cemento (véase la fig. 18).
Figura 17: El estabilizador Delvo®crete, una vez dispersado y muy bien mezclado en una mezcla de concreto fresco, interrumpe la hidratación del cemento formando una barrera protectora alrededor de las partículas de cemento. Delvo®crete tiene un doble papel: detiene la hidratación del cemento formando una barrera protectora alrededor de partículas puzolánicas, y actúa como un dispersante, previniendo así la floculación y endurecimiento de los hidratos. El efecto de este producto es tal, que incluso permite estabilizar residuos de concreto y mantenerlos en estado plástico durante unos cuantos minutos, varias horas, un día o incluso un par de días. Delvo®crete está compuesto de ácidos carboxílicos y sales y ácidos orgánicos con fósforo. Tiene la capacidad de detener la formación de compuestos minerales de cemento, y reduce la rapidez de solución del mineral de sulfato de calcio. Su acción difiere de la de los aditivos de retardo convencionales: a dosificaciones normales, la acción de éstos es compleja y puede acelerar un componente mineral del cemento al mismo tiempo que retarda otros, y a dosificaciones superiores pueden incluso provocar excesiva rigidez del concreto, fraguado instantáneo y resistencias bajas. En resumen, el uso de aditivos de retardo a dosificaciones lo suficientemente altas como para alcanzar el mismo grado de retardo del estabilizador Delvo®crete, puede ocasionar efectos perjudiciales tanto al concreto en estado plástico como al concreto en estado endurecido. El estabilizador Delvo®crete puede utilizarse para controlar la hidratación del cemento por períodos hasta de 72 horas. Afecta principalmente la hidratación del C3S, pero puede también retardar la reacción inicial del C3A con agua y sulfato si se añade con el agua de mezcla. 88
Figura 18: El activador Delvo®crete, una vez dispersado y muy bien mezclado en una mezcla de shotcrete estabilizado, destruye la barrera protectora alrededor de las partículas de cemento «estabilizadas». Una vez destruida esta barrera protectora, el concreto tratado reacciona de forma normal (véase la fig. 19). Para satisfacer los requisitos varios en cuanto a fraguado, colocación en alto espesor y resistencias iniciales del shotcrete para el
Figura 19: Una vez que el activador Delvo®crete elimina la barrera protectora que rodea las partículas de cemento, comienza la hidratación, fraguado y desarrollo de resistencias normales del cemento. 89
soporte de rocas, se han creado varias clases de activadores Delvo®crete para cuando se utiliza el sistema de control de hidratación en esta aplicación. Estos activadores eliminan la barrera protectora creada por el estabilizador Delvo®crete, y a continuación reaccionan con el cemento para producir el fraguado rápido y las resistencias iniciales que normalmente se obtienen con el shotcrete acelerado.
80 Zeit (Sekunden) Tiempo (s)
4.2.5
Shotcrete fabricado por vía seca Trockenspritzbeton (estabilizado und y activado) (stabilisiert aktiviert)
Propiedades
Naßspritzbeto Shotcrete fabricado por vía húmeda (stabilisiert aktiviert) (estabilizado und y activado)
Zeit (Sekunden) Tiempo (s)
80
Inicio del fraguado Erstarrungsbeginn Final del fraguado Erstarrungsende
60
40
20
0 Referenz Referencia
1% Stabilisator 2%2Stabilisator 1 % de % de
estabilizador
90
estabilizador
20
1% 1 Stabilisator 2% 2Stabilisator % de % de
estabilizador
estabilizador
Figura 20: Tiempos de fraguado de shotcrete con hidratación controlada Los activadores Delvo®crete tienen doble función: • neutralizan el efecto del estabilizador Delvo®crete en el cemento, y • aceleran la hidratación del cemento para producir las características de fraguado rápido y altas resistencias iniciales requeridas en aplicaciones de soporte de rocas.
4.2.7
En la fig. 20 se muestran los tiempos de fraguado de shotcrete estabilizado y activado (fabricado por vía húmeda y seca).
40
Referenz Referencia
En aplicaciones de shotcrete, las mezclas de hidratación controlada han exhibido valores de resistencia a la compresión, a la tracción y a la flexión superiores a los de las mezclas de referencia. Kinney observó que el estabilizador Delvo®crete parece retardar la formación de núcleos de CSH cuando se agrega con el agua de mezcla, y retarda la formación tanto del CSH como del CH cuando se agrega durante o después del período de inducción. Se sugiere que esta capacidad de afectar la nucleación y el crecimiento cristalino lleva a la formación de CH más fino y de hidratos de silicato más densos, lo cual mejora las propiedades físicas de la pasta.
Tiempos de fraguado
60
0
La calidad del shotcrete y del concreto con hidratación controlada tratados con el sistema Delvo®crete es igual o superior a la de los hormigones de referencia (de fabricación convencional).
4.2.6
Erstarrungsbeginn Inicio del fraguado Erstarrungsende Final del fraguado
Resistencias Frecuentemente, la resistencia de rotura y la capacidad de carga del material para el soporte de rocas son propiedades menos importantes que las características de fraguado rápido y alta resistencia inicial del material. Para lograr estas últimas características, se agregan acelerantes al shotcrete en la boquilla de proyección; dichos acelerantes están hechos principalmente de sales de aluminato o silicatos y provocan pérdidas de resistencias a los 28 días (más pronunciadas con los aluminatos). En realidad, más que pérdida de resistencia, el problema es «un aumento de resistencia reducido después de 3 días», cuando se hace la comparación con la misma mezcla sin acelerantes. Con el sistema de control de la hidratación, el shotcrete activado y estabilizado puede también exhibir ganancias inferiores o mínimas de resistencia entre los días 3 y 28, al igual que ocurre con el shotcrete con acelerantes convencionales. Sin embargo, hay varias clases de activadores Delvo®crete para el soporte de rocas. La selec91
Resistencia a la compresión (28 días): Mínima requerida Promedio lograda Rebote medido (proyección con robot)
ción y la dosificación de un tipo particular dependerán de la calidad del cemento, así como también de los requisitos de resistencia inicial y tiempo de fraguado. Es interesante notar que la mezcla con hidratación controlada requiere una dosificación menor del activador Delvo®crete que la del acelerante que requeriría una mezcla normal. La razón probable de ello es que, dado que el cemento en la mezcla estabilizada está bien dispersado y aún «fresco» (es decir, no hidratado), el activador Delvo®crete puede actuar con más eficiencia que el acelerante utilizado en la mezcla normal.
4.2.8
Originalmente el contratista comenzaba a utilizar el shotcrete estabilizado en horas de la noche debido a que las leyes ambientales locales restringían la operación de plantas de concreto en el sitio de la obra a horarios de 07:00 a 22:00. Esto significaba que no se podía obtener mezclas de concreto después de las 22:00. Para solventar este problema, antes de las 22:00 era necesario cargar varios camiones con la mezcla estabilizada, que se transportaban dentro del túnel y se proyectaban durante la noche según los requerimientos específicos. Sin embargo, dados los satisfactorios resultados de reducción del rebote y mejoramiento de la calidad y la eficiencia, a la larga los contratistas optaron por utilizar mezclas de concreto estabilizado también durante las operaciones diurnas de proyección (siendo el costo del material para el control de la hidratación mucho menor que el costo del rebote). Esto condujo a ahorros importantes en el proyecto.
Rebote El rebote de las mezclas de shotcrete representa un gran costo agregado que debería mantenerse al mínimo. En pruebas de campo efectuadas en Europa y Asia, se ha determinado que las mezclas de shotcrete con hidratación controlada exhiben un rebote menor que las otras mezclas. Probablemente esto se deba a que en las primeras no se ha producido una hidratación previa del cemento, y por tanto continuamente se están lanzando mezclas con cemento «fresco» sin importar el tiempo transcurrido entre el mezclado y la proyección. Las mediciones realizadas en el proyecto del Túnel Flurlinger de Suiza demostraron que el rebote de la mezcla estabilizada (con hidratación controlada) fue hasta un 10 % menor que el de la mezcla normal. Condiciones del shotcrete empleado en el Túnel Flurlinger de Suiza Diseño de mezcla (por m3): Cemento 425 kg Agregado (0–16 mm) 1730 kg Superplastificante 0,8 % Estabilizador Delvo®crete 0,6 % Activador Delvo®crete S51 5,0 % Relación agua/cementante 0,45 Trabajabilidad (mesa de asentamiento, DIN): Dosificación 600 mm Después de 4 h 580 mm Después de 9 h 560 mm
92
25 MPa 33,5 MPa 8 a 10 % (promedio)
4.2.9
Economía Calcular aproximadamente el costo de los varios componentes de un proyecto de infraestructura subterránea es una tarea difícil y compleja. Muchos contratistas subestiman estos costos. A continuación se expone un resumen de los costos involucrados en un proyecto: • Costo de la mezcla de shotcrete por m3 • Costo del shotcrete aplicado en el sitio, incluyendo exceso de rebote y proyección (este costo puede ser 100 % mayor que el costo por m3) • Costo de recoger, cargar, transportar el rebote de un proyecto, y desecharlo en una localidad apropiada y aprobada por las leyes del medio ambiente • Costo del shotcrete devuelto, que fue rechazado por haber pasado su tiempo de utilización • Costo de los residuos de shotcrete que tuvieron que eliminarse de bombas y mangueras durante la interrupción de las operaciones por desperfectos de las maquinarias o retrasos de otras índoles, y al final de los turnos
93
• Costo de demoler, eliminar y reemplazar las áreas de shotcrete defectuosas debido a que el material aplicado ya había pasado su tiempo de utilización • Costo y mantenimiento de las bombas y equipos para el shotcrete • Costo y mantenimiento (por m3) de una unidad trixer (si la hubiere) • Costo de configurar una planta dosificadora en el sitio de faena, necesaria cuando la planta de concreto ya mezclado está demasiado lejos; costo de la operación continua de la planta • Costo del tiempo de parada de equipos y personal durante los retrasos o interrupciones de la entrega de shotcrete Muchos de estos costos son difíciles de cuantificar y de calcular durante las primeras etapas de un proyecto, y por tanto por lo general se pasan por alto. Sin embargo, puede observarse que con sólo reducir el rebote, los ahorros para el contratista van mucho más allá que simplemente tener que comprar menos materiales. Al utilizar el sistema Delvo®crete para el control de la hidratación en proyectos de shotcrete vía húmeda de gran volumen, se puede economizar por varias razones: • Reducción del rebote • Menos rebote que hay que transportar y desechar • Ya no hay que rechazar entregas de shotcrete por haber pasado su tiempo de utilización • No hay que limpiar bombas ni mangueras de desechos del shotcrete cuando hay interrupciones, ni tampoco al final de un turno de proyección • El shotcrete tiene menos defectos debido a que todo el shotcrete aplicado contiene cemento que no se ha prehidratado y cuya vida útil de empleo sigue vigente • No hay necesidad de utilizar unidades trixer • Es posible que ya no haya necesidad de erigir plantas de concreto en el sitio de la obra (esto depende de otros requisitos del proyecto) • Menos costos de horas extra y de tiempos de parada (si se garantizan entregas adecuadas de shotcrete en el frente de excavación) Como se ve, el costo de utilizar el sistema Delvo®crete para el control de la hidratación resulta ser sumamente bajo. La dosificación del estabilizador Delvo®crete oscila entre 0,4 y 2,0 % (en peso). Esto estabilizará el cemento por un tiempos que varían entre 3 a 4 horas y 3 días. Por supuesto, la dosificación del estabilizador Delvo®crete 94
dependerá de los requisitos del contratista, pero usualmente se utiliza 0,6 % por peso de cemento. La dosificación de los activadores Delvo®crete es normalmente igual a (o ligeramente menor que) la dosificación del acelerante que se requeriría para la misma mezcla de shotcrete que no contuviera el estabilizador Delvo®crete. En la tabla 3 se muestra la comparación de costos de shotcrete de vía húmeda convencional y con hidratación controlada utilizado para soporte de rocas, con agregado grueso (0 – 16 mm). Si la mezcla convencional tuviera un rebote del 20 %, entonces el costo de colocación del shotcrete sería de US$ 121,10/0,8 = US$ 151,38/m3. Para que el costo de colocación del shotcrete con hidratación controlada sea equivalente, el rebote de la mezcla debería ser (1 – 133,86/151,38) x 100 = 11 %. Tal como se demostró en el proyecto del Túnel Flurlinger, es posible lograr reducciones de rebote de esta magnitud (40 – 50 %). Tabla 3: Comparación de costos entre una mezcla de shotcrete convencional y una mezcla con hidratación controlada Material
Costo unitario (US$)
Mezcla convencional
Mezcla con hidratación controlada
Cemento
$ 80/ton
420 kg
$ 33,60
420 kg
$ 33,60
Microsílice
$ 450/ton
40 kg
$ 18,00
40 kg
$ 18,00
Agregados (0 – 10)
$ 15/ton
1680 kg
$ 25,20
1680 kg
$ 25,20
–
210 kg
Agua
–
210 kg
–
Plastificante
$ 0,70/kg
3 kg
$ 2,10
3 kg
$ 2,10
Superplastificante
$ 1,10/kg
4 kg
$ 4,40
3 kg
$ 3,30
Estabilizador Delvo®crete (0,6%)
$ 3,50/kg
2.76 kg
$ 9,66
–
Asentamiento
–
Acelerante convencional (5%)
$ 1,80/kg
21 kg
Activador Delvo®crete (5%)
$ 2,00/kg
–
–
200 mm más
TOTAL
$ 37,80
–
US$ 121,10
95
200 mm más –
–
21 kg
$ 42,00
US$ 133,86
En el caso del shotcrete con refuerzo de fibra metálica (cuyo costo podría ser superior a US$ 200 por m3), se requerirá una reducción incluso menor del rebote para compensar el costo del sistema de control de la hidratación. Aparte de los ahorros conseguidos por la reducción del rebote, el contratista también ahorrará dinero porque se eliminará el problema del shotcrete devuelto y de desecho, y se reducirá el tiempo de parada de las bombas de shotcrete y del personal. Además, se garantizará que cada metro cúbico de shotcrete aplicado tenga una calidad uniforme.
4.2.10
Resumen • Las mezclas de shotcrete con hidratación controlada son un recurso económico y eficiente para utilizarse en aplicaciones de soporte de rocas, para grandes proyectos de infraestructura subterránea. • Al interrumpirse la hidratación del cemento (y puzolanas) en una mezcla de shotcrete y volver a reactivarse y acelerarse en la boquilla de proyección, se puede garantizar una calidad uniforme del shotcrete. • Los ahorros logrados por la reducción del rebote pueden compensar los costos adicionales del sistema de hidratación controlada. • Los contratistas pueden lograr otros ahorros derivados de la reducción del rebote y eliminación del shotcrete de desecho. • Las mezclas de shotcrete con hidratación controlada permiten una mayor flexibilidad en la programación de las operaciones de proyección en proyectos de construcción subterránea.
4.2.11
a) Shotcrete fabricado por vía húmeda con Delvo®crete Metro de Atenas La parte de construcción civil del proyecto comprende 20 estaciones y 18 km de túneles. A pesar de que los documentos iniciales especificaban el método de vía seca, fue posible convencer a los contratistas de los beneficios del método de vía húmeda, por lo que ahora éste es el utilizado. Desde una planta de mezcla central el concreto se distribuye mediante mezcladoras a un número de frentes. Los sitios individuales tienen un almacenamiento de reserva de concreto con una capacidad máxima de 12 m3. En este espacio de almacenamiento funciona también un agitador que puede funcionar cuando sea necesario. El concreto se transfiere desde el agitador a la bomba de concreto, bajando por una tubería hacia el pozo (normalmente con una profundidad de 20 m) hacia el túnel, terminando en la bomba de proyección MEYCO® Suprema. La distancia hasta la boquilla de proyección es normalmente de 100 a 150 m. La secuencia normal de trabajo involucra la aplicación de 3 a 4 m3 de shotcrete, seguido por una interrupción de 3 a 4 horas hasta la siguiente aplicación. Durante este tiempo no se utiliza ninguna parte del sistema, desde el almacenamiento de reserva hasta la boquilla de shotcrete. Una vez a la semana se lleva a cabo una limpieza total del sistema. Este sistema es posible únicamente gracias al estabilizador Delvo®crete. Al añadirse un máximo de 2 % basado en el peso del cemento, es posible impedir la hidratación hasta por 72 horas. Cuando se utiliza el Delvo®crete para el shotcrete, es necesario aplicar un activador en la boquilla para iniciar el proceso de hidratación.
Casos de estudio La flexibilidad y ventajas resultantes del uso del shotcrete reforzado con fibras metálicas dependen del uso correcto de aditivos y del equipo apropiado. A continuación se exponen ejemplos que demuestran algunos de los aspectos más importantes de las aplicaciones prácticas de shotcrete.
96
Datos claves de la operación con shotcrete: • La mezcla contiene 400 kg de cemento, agregados de 0 – 8 mm, superplastificante Rheobuild® 716 (1,2 %), estabilizador Delvo®crete (1%), relación agua/cementante <0,45, asentamiento de 18 – 20 cm en la planta de concreto y activador Delvo®crete S71 (5 – 6 %) añadido en la boquilla de proyección. • Esta mezcla produce un rebote <10 %, así como también un desarrollo de la resistencia inicial superior al de los materiales clase J3 (según las normas austríacas para el shotcrete), resistencia a las 24 horas de 13 – 17 MPa y resistencia a los 28 días de 30 MPa. 97
Metro de Londres, Jubilee Line, sección 102 Desde una planta mezcladora en la superficie, se descarga el concreto por unos 35 m por un eje vertical, desde donde se transporta en mezcladoras de 4 m3 hasta la bomba de concreto MEYCO® Suprema, situada de 45 a 100 m detrás de la boquilla, según el avance alcanzado durante la semana. La secuencia normal de trabajo involucra la aplicación de 4 a 5 m3 de shotcrete, seguido por una interrupción de 2 a 3 horas hasta la siguiente aplicación. La limpieza del equipo se efectúa una vez a la semana u ocasionalmente en caso de obstrucciones. El túnel, de aproximadamente 5 m de diámetro en la arcilla «London» (London Clay), y el avance es de 30 m por semana, en 5 días de 24 horas. Datos claves de la operación con shotcrete: • La mezcla contiene 400 kg de cemento, agregado de 0 – 10 mm, superplastificante Rheobuild® 3520 (1,2 %), estabilizador Delvo®crete (0,9 %), asentamiento de 20 cm en la planta de concreto y de 13 cm bajo tierra (la medición del flujo según DIN es más representativa utilizando este superplastificante) y activador Delvo®crete S51 (4 – 5 %) añadido en la boquilla. • Esta mezcla produce un rebote del 5 %, una resistencia a las 24 horas de 20 – 24 MPa y resistencia a los 28 días de 30 MPa. En este caso, es interesante hacer notar que no se utilizó Delvo®crete al principio, lo cual condujo a la pérdida de 2 m3 por cada 4 m3 de material proyectado, debido a la limpieza del equipo entre las fases de aplicación. Túnel Bianya, España El Túnel Bianya, con una longitud de 1800 m, es parte de la autopista que comunica Andorra con Francia. La empresa contratista es Dragados y Construcciones. El área aislada presenta varios problemas para las operaciones convencionales de construcción de túneles: la planta de premezclado más cercana está a 25 km de la obra, y sólo puede llegarse a ella a través de un antiguo paso por la montaña. Se necesita más de hora y media para llegar al extremo norte, y 50 minutos para llegar al extremo sur del túnel. Durante un período de 20 meses, los turnos diurnos y nocturnos continuos requieren un abastecimiento ininterrumpido, bajo condiciones climáticas adversas, de 15 000 metros cúbicos de shotcrete para la fortificación. 98
Con el sistema Delvo®crete se estabilizan las mezclas de shotcrete en la planta por un tiempo promedio de 14 horas. Desde allí, se transportan al sitio de la obra y se almacenan hasta su utilización. Así se facilita la disponibilidad continua de mezclas frescas. Datos claves de la operación con shotcrete: • Propiedades del concreto: – Asentamiento inicial 23 cm – Asentamiento después de 14 h 19 cm – Resistencia a la compresión 1 día: 3 días: 7 días: 28 días: • Rebote: <6 % • Salida: 9 m3/h 3 • Diseño de la mezcla (por m ): Cemento 500 kg Microsílice 16 kg Arena (0–1 mm) 150 kg Arena (0–6 mm) 1400 kg Grava (6–12 mm) 20 kg 5 kg Rheobuild® 561 Estabilizador Delvo®crete 3–5 kg Fibras metálicas Dramix 40 kg Agua 225 kg 30 kg Activador Delvo®crete S61
9 MPa 18 MPa 27 MPa 40 MPa
Autopista A-14, París Para la construcción de un túnel doble subterráneo de carreteras de 1700 m en la ciudad de París se utilizó el sistema Perforex, un nuevo método que consiste en el corte continuo de la bóveda del túnel. Los huecos son llenados inmediatamente con shotcrete de alta resistencia inicial antes de comenzar el trabajo de excavación (usando la rozadora o road header). Esta técnica es especialmente idónea para el sistema de excavación completa del frente en suelos inestables y blandos situados debajo de zonas urbanas. A continuación se exponen algunos datos fundamentales del shotcrete: • El estabilizador del sistema Delvo®crete proporcionó la flexibilidad requerida para la colocación del shotcrete. • El activador del sistema Delvo®crete proporcionó la alta resistencia inicial requerida; a las 4 horas se obtuvo un promedio de 11 – 99
13 MPa, superior al valor requerido de 6 MPa; a las 7 horas se llegó a 17 MPa. • Menor tiempo de producción: se agilizó el trabajo de construcción de túneles en general
0,8% (por peso de cemento) Estabilizador Delvo®crete Activador Delvo®crete 6,1% (por peso de cemento) • El sistema de hidratación Delvo®crete fue igualmente fiable durante el frío invierno de 1995/1996 y durante el verano siguiente.
• Diseño de la mezcla (por m3): Cemento Agregado (0–8 mm) Agua Rheobuild® 2000 PF Estabilizador Delvo®crete Activador Delvo®crete S71
b) Proyección por vía seca con Delvo®crete 425 kg 1660 kg 190 l 1 % (por peso de cemento) 0,4 % (por peso de cemento) 5 % (por peso de cemento)
Túnel de alivio de aguas pluviales Brighton & Hove, Reino Unido La construcción del Túnel de alivio de aguas pluviales Brighton & Hove se hizo a lo largo de la playa, a una distancia de 30 – 40 m detrás de la superficie, entre Brighton y Hove (costa sudeste del Reino Unido). El túnel principal tiene 5,3 km de largo con un diámetro excavado de 6 m, y estaba previsto perforarlo con una maquinaria TBM de frente completo. El revestimiento consistiría en segmentos prefabricados de concreto.
Túnel Ditschardt, Alemania El Túnel Ditschardt es parte de la carretera alterna alrededor de la ciudad de Altenahr, 40 km al sur de Bonn. El túnel tiene un largo de 565 m, y la sección transversal excavada es de 145 m2. La excavación del túnel fue efectuada mediante perforación y voladura, y soportada por shotcrete, pernos de anclaje, mallas electrosoldadas y cerchas conforme a los principios de la técnica NATM. El trazado del túnel pasaba por una zona de grauvaca discontinua. Fue necesario transportar la mezcla de concreto requerida para la proyección por vía húmeda desde una planta situada a 25 minutos de la obra. Otras variables del proceso de construcción de túneles contribuyeron a los retrasos.
El túnel de acceso principal combina concreto prefabricado y shotcrete con una TBM y descombro, construido según los criterios de diseños de la técnica NATM. Debido a los requisitos ambientales de la zona – un área vacacional que funciona todo el año –, fue necesario evitar erigir una planta de concreto, y las mezclas de concreto que debían lanzarse a horarios diferentes de cada día tenían que ser transportadas desde una distancia de 12 km. A fin de garantizar un abastecimiento regular de shotcrete de alta calidad, Taylor Woodrow Civil Engineering (la principal empresa contratista) eligió el sistema Delvo®crete. El shotcrete fabricado por vía seca, estabilizado con el estabilizador Delvo®crete, fue aplicado mediante dos equipos MEYCO® GM 90, y debido a las condiciones de humedad de los túneles, se activó y aceleró con el activador Delvo®crete S51. Un concreto de unas 15 horas de mezclado había sido proyectado con excelentes resultados.
A continuación se exponen algunos datos fundamentales del shotcrete: • El estabilizador del sistema Delvo®crete proporcionó la flexibilidad requerida para la colocación del shotcrete (sin pérdida de la calidad). • El concreto se mantuvo en una mezcladora de camión hasta el momento de la aplicación. Se agregó un plastificante para aumentar el asentamiento en la mesa (DIN) a 50 cm. • Menor tiempo de producción: se agilizó el trabajo de construcción de túneles en general • Diseño de la mezcla (por m3): Cemento CEM I 32.5R Arena (0–2 mm) Agregado (2–8 mm) Agua Woerment FM21 (plastificante) 100
4.3
380 kg 880 kg 980 kg 200 kg 0,5% (por peso de cemento)
Curado interno del concreto
Los túneles y otros proyectos de construcción subterránea tienen algunas de las peores condiciones para el curado debido a la continua ventilación de aire (caliente o frío) hacia adentro del túnel. Puede
101
compararse con concreto expuesto a un área de mucho viento. Uno podría pensar que las condiciones de alta humedad (fugas de agua), ausencia de viento y de exposición al sol favorecerían las condiciones de curado, pero esto no es así.
4.3.1
La aplicación de los agentes de curado requiere dos operaciones lentas: la aplicación del agente del curado y la limpieza/eliminación del agente de curado de la superficie del shotcrete entre las capas, en caso de capas múltiples. En muchos países que tienen experiencia en shotcrete fabricado por vía húmeda (tales como Noruega y Suecia), y en proyectos importantes de todo el mundo, se exige curar el shotcrete con un agente de curado.
Antecedentes El curado es uno de los trabajos básicos más importantes del shotcrete debido al gran contenido de agua y cemento de la mezcla, y la consiguiente alta contracción y alto potencial de fisuración del concreto aplicado. Otra razón es el peligro del secado rápido debido a la alta ventilación tan común en los túneles, la rápida hidratación del shotcrete acelerado y la aplicación en capas delgadas. Por tal motivo, el shotcrete debería siempre curarse adecuadamente mediante un agente de curado eficiente. Sin embargo, tales agentes tienen varias restricciones: deben estar libres de solventes (uso en ambientes cerrados), no deben afectar la adherencia entre capas y deben aplicarse inmediatamente después de colocar el shotcrete. La mayoría del shotcrete en todo el mundo se caracteriza por falta de adherencia y gran cantidad de fisuras debido a que no se ha curado. Con el uso del shotcrete como un revestimiento final permanente, han aumentado los requisitos de calidad y rendimiento a largo plazo, a saber: buena adherencia, alta densidad final y alta resistencia a la compresión para garantizar resistencia a los ciclos de congelación/deshielo y resistencia química, estanqueidad y un alto grado de seguridad. Cuando se utiliza un agente de curado para el shotcrete, es necesario tener mucho cuidado con el procedimiento de limpieza del substrato antes de aplicar una capa subsiguiente. La limpieza debe efectuarse con alta presión de aire y abundante agua (con una bomba de proyección y boquilla, agregando aire en la boquilla). Otro problema que tienen los agentes de curado es que deben aplicarse rápidamente una vez finalizada la proyección. Para procurar hacer un curado adecuado del shotcrete, los agentes de curado deben aplicarse dentro de los siguientes 15 a 20 minutos después de la proyección. Debido al uso de acelerantes de fraguado, la hidratación del shotcrete ocurre poco después de la proyección (5 a 15 minutos). La hidratación y el aumento de temperatura se producen durante los primeros minutos y horas después de la aplicación del shotcrete, y es muy importante proteger el shotcrete en tal etapa crítica.
102
Se han obtenido excelentes resultados con el uso de un agente de curado especial para el shotcrete (Masterkure® 112). Este producto no contiene solventes y es fácil de aplicar y eliminar. Se ha utilizado en muchos países y en muchos proyectos importantes, produciendo siempre muy buenos resultados. El uso de agentes de curado especialmente diseñados para el shotcrete mejora la adherencia en un 30 – 40 % en comparación con un shotcrete sin curado (curado al aire), reduce la contracción y el agrietamiento y asimismo ofrece una densidad y resistencia a la compresión a los 28 días ligeramente más altas. Estos resultados han sido confirmados a través de diferentes pruebas de laboratorio y pruebas de campo. Sin embargo, para lograr tales resultados es necesario efectuar una limpieza adecuada antes de aplicar las capas subsiguientes de shotcrete. Incluso cuando se utilizan productos fáciles de aplicar, el curado del shotcrete es una tarea que consume tiempo y a menudo interfiere con otras operaciones del proceso de construcción de túneles.
4.3.2
Curado interno del concreto con MEYCO® TCC735 MBT desarrolló un nuevo sistema para lograr un curado más eficaz y seguro del shotcrete fabricado por vía húmeda, así como de los morteros de reparación y del concreto. El curado interno del concreto consiste en añadir un aditivo especial al concreto/mortero durante la dosificación, de la misma manera que se haría con un aditivo normal. Este aditivo produce una barrera interna en el concreto, la cual facilita una hidratación mejor y una mejor resistencia que la que ofrecen los agentes de curado convencionales. Esta nueva tecnología ofrece una serie de beneficios importantes: • Se elimina la aplicación de una membrana de curado, y en el caso de que se coloquen varias capas de shotcrete, ahorra la necesidad de eliminar estos agentes de curado • Se garantiza el curado desde el principio de la hidratación • No afecta la adherencia entre capas 103
Como consecuencia de este óptimo efecto de curado, mejoran todas las otras características del shotcrete: densidad, resistencia final, resistencia a los ciclos de congelación/deshielo y resistencia química, estanqueidad, reducción del agrietamiento y de la contracción.
4.3.4
• No afecta la adherencia entre las capas. Siempre exhibe buena adherencia y seguridad • Elimina la necesidad de operaciones adicionales para la aplicación de agentes de curado u otros métodos de curado • Elimina la necesidad de operaciones adicionales de limpieza y eliminación de agentes de curado • El curado comienza de inmediato (y por ende, durante el período crítico) • Menos fisuración • Mejor resistencia química • Mejor estanqueidad (menos fisuración) • Mejor resistencia a ciclos de congelación/deshielo • Mejor trabajabilidad y facilidad de bombeo • Actúa independientemente de la calidad, granulometría y falta de finos del agregado • Funciona particularmente bien con el shotcrete reforzado con fibras metálicas; mejora la orientación de las fibras, reduce el rebote de las mismas y aumenta la tenacidad • Ahorra tiempo por m3/m2 debido al aumento en producción y disminución del número de operaciones. ¡El tiempo es oro! • Mayor densidad • Mejores resistencias a la compresión finales
Además, el aditivo MEYCO® TCC735 mejora la facilidad de bombeo y trabajabilidad del shotcrete, incluso con agregados de bajo grado. Particularmente mejora la facilidad de bombeo de las mezclas de shotcrete reforzadas con fibras metálicas. Al combinarse con el sistema MEYCO® TCC consigue aumentar aun más los efectos beneficiosos del sistema de slump killing (mata cono) gracias a que mejora la orientación de las fibras y reduce el rebote de las mismas, aumentando la tenacidad.
4.3.3
Tecnología comprobada El sistema de curado interno del concreto con MEYCO® TCC735 ha sido ensayado con buenos resultados tanto en laboratorios como en grandes obras. Se han llevado a cabo programas completos de investigación en Noruega (SINTEF), Suiza (Instituto LPM) y Austria (Universidad de Innsbruck). Las resistencias de adherencia fueron superiores a 2,0 MPa, con fallas descubiertas en el concreto solamente y no en el área de adherencia. La densidad y las resistencias mecánicas a los 28 días fueron más de 10 % mayores que las mostradas por el shotcrete de referencia (curado convencionalmente). Resultados de una obra monumental del Lejano Oriente: • Mayor adherencia, en comparación con las aplicaciones sin curado: >100 % (de 0,5 – 0,7 a >2 MPa) • Mayor adherencia, en comparación con las aplicaciones con agentes de curado especiales: >30 – 50 % (de 0,7 – 1,2 a >2 MPa) • Todas las probetas de shotcrete tratado con MEYCO® TCC735 muestran una resistencia de adherencia >2 MPa. Se encontraron fallas únicamente en el concreto y no en el área de adherencia • Mayor densidad (>15 %), en comparación con las aplicaciones de shotcrete tratado con agentes de curado externos • Mayor resistencia (28 días), en comparación con las aplicaciones de shotcrete curado al aire o tratado con agentes de curado externos (>10%) • Ausencia de fisuras
104
Ventajas del curado interno del concreto con MEYCO® TCC735
4.3.5
Una solución más segura y económica • MEYCO® TCC735 ofrece ahorros generales de la operación de proyección, ya que elimina la necesidad de operaciones adicionales para la aplicación de componentes de curado y preparación del substrato; además, solamente la reducción del rebote general y el de las fibras compensa con creces el costo adicional del material. • MEYCO® TCC735 no sólo garantiza un mejor curado, sino que ofrece un avanzado procedimiento de aplicación de agentes de curado en forma de un aditivo de concreto muy fácil de añadir.
105
Material Costos de aplicación Horas-hombre Maquinaria Costos de retiro Horas-hombre Maquinaria Total de costos (por m3)
Curado húmedo
Curado externo
–
CHF
14,00
CHF
CHF CHF
1,00 18,00
– –
CHF CHF
25,20 280,00
– – CHF 305,20
Resistencia de adherencia [MPa]
Tabla 4: Comparación de costos por m3 del curador interno de concreto, curado externo y curado húmedo de uno de los mayores proyectos llevados a cabo con shotcrete: > 200 000 m3 de shotcrete de alto requerimiento aplicado en un período de 2 años y medio Curador interno
CHF 10,80 CHF 80,00 CHF 123,80
15,00
– – CHF 15,00
Curado ex terno
No curado
Figura 22: Adherencia de testigos de sondeo de shotcrete en substratos de shotcrete (MPa) (ref.: resultados de pruebas de proyección, Instituto LPM)
Tabla 5: Diseño de mezcla por m3 Resultados de las pruebas de proyección
Absorción de agua [g/cm2]
4.3.6
No curado Curado externo 7 días
24 horas
1 hora
Curado externo
Curador interno
450 kg 22,5 kg 0,45 1700 kg 7,125 kg – – – – 8 % (por peso) – 23 cm
450 kg 22,5 kg 0,45 1700 kg 7,125 kg 0,5 kg/m2 – – – 8 % (por peso) – 23 cm
450 kg 22,5 kg 0,45 1700 kg – – 9,5 kg 5 kg 1 kg – 5 % (por peso) 16 cm
10 min
Figura 21: Absorción de agua desde un testigo de sondeo (g/cm2) (ref.: M. Testor, tesis de posgrado en la Universidad de Innsbruck, 1997)
106
Cemento 42.5 II A-L Microsílice Agua/cementante Arena 0 – 4 mm Rheobuild® 561 Masterkure® 112 Rheobuild® 3520 MEYCO® TCC735 Rheobuild® 700 MEYCO® SA430 MEYCO® TCC765 Asentamiento
Referencia (sin curado)
En estas pruebas se fijaron varios parámetros para así poder evaluar las verdaderas diferencias de las tres mezclas y sistemas.
107
Tabla 6: Comportamiento mecánico de las tres mezclas Referencia (sin curado)
Curado externo
Curador interno
Capítulo 5 Refuerzo de fibras
Resistencia a la flexión de probetas de concreto (10 x 10 x 40 cm), UNI 5133, MPa: 7 días 3,8 – 5,9–6,1 6,0 28 días 5,5–4,5 4,5–4,5 6,4–6,8 5 4,5 6,6 Prueba de despegue Rilem/CEB/FIP RC6, MPa: 7 días – – 28 días
1,5
Adherencia en concreto (*), MPa: 7 días 0,92 (P) 28 días 1,02 (I) Fisuras en las probetas: 1 día Fisuras 7 días Fisuras 14 días Roturas 28 días
Roturas
2,0–1,8 1,9
2,1–1,9 2,0 2,4–2,2 2,3
0,9 (P) 1,5 (I)
1,5 (P) 2,8 (P)
Sin fisuras Sin fisuras Fisuras superficiales Fisuras
Sin fisuras Sin fisuras Sin fisuras
El concreto reforzado con fibras es un material novedoso que está siendo desarrollado de forma acelerada gracias al mejoramiento de las nuevas fibras, tecnología y técnicas de aplicación del concreto.
Sin fisuras
Modulo estático de elasticidad, UNI 6556, MPa: 7 días 17 150 – 28días 21 650 –
19 100 22 400
Figura 23: Fibras metálicas para refuerzo del shotcrete utilizado para soporte de rocas
Modulo dinámico de elasticidad, MPa: 7 días 28 500 28 días 36 600
39 400 39 600
El uso del shotcrete reforzado con fibras ha avanzado significativamente en los últimos años, contando ahora con la aprobación de ingenieros, especificadores, propietarios y contratistas del mundo entero para aplicaciones de soporte de roca.
28 000 37 300
(*): Los valores son el promedio de dos pruebas. P: Las roturas se han producido en la aplicación, es decir, en el producto. I: Las roturas se han producido en la interfaz entre la aplicación y la losa de concreto.
5.1 4.4
Conclusión
Los productos Delvo®crete, los acelerantes libres de álcalis MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170 y el sistema de curado interno del concreto son las nuevas generaciones de aditivos avanzados para el shotcrete, que han fijado nuevas pautas en el mundo del shotcrete. Estos productos y sistemas mejoran la calidad y aumentan la producción, al mismo tiempo que disminuyen los costos por metro cúbico de shotcrete, favoreciendo así su uso como material de construcción. 108
¿Por qué es necesario reforzar el concreto?
El concreto es un material frágil. Generalmente el concreto y el shotcrete se agrietan por razones estructurales, principalmente por la poca resistencia a tracción del material. El agrietamiento se produce como resultado de una combinación de los esfuerzos de contracción y las restricciones. Para evitar este problema, es necesario reforzarlo con mallas electrosoldadas y varillas de acero, o con fibras.
109
Las fibras metálicas tienen ventajas obvias sobre la malla electrosoldada, siendo la más importante el hecho de que son pequeñas y que pueden distribuirse uniformemente en toda la capa de concreto. Tal mejoramiento de la distribución de las fisuras y de la tensión imparte viscosidad al concreto.
5.2
5.3
Clases de fibras
5.3.1
Fibras de vidrio Las fibras de vidrio no sirven como un material permanente porque al cabo de cierto tiempo se fragilizan y son destruidas por la parte básica de la matriz de concreto. Por tanto, no deben utilizarse en ningún tipo de concreto, shotcrete o morteros con base de cemento.
Comportamiento de las fibras metálicas en el shotcrete
Las propiedades mecánicas del shotcrete están principalmente determinadas por la relación agua/cementante, el contenido de microsílice, la dosis de acelerantes de shotcrete y las condiciones de curado. La función principal de las fibras metálicas en el shotcrete es aumentar la ductilidad del material. Si bien es posible obtener una elevada resistencia a la flexión sin necesidad de fibras, la ductilidad está directamente relacionada con el tipo y la cantidad de las fibras metálicas. Se prefiere utilizar fibras largas (>25 mm) a dosis altas (40 – 75 kg/m3). Como efecto secundario, las fibras metálicas mejoran la resistencia final a la flexión del shotcrete. Los resultados de pruebas a gran escala han demostrado que después del endurecimiento, la resistencia a la flexión del shotcrete básico se reduce a la mitad debido a la contracción y a la aparición de microfisuras, mientras que el shotcrete reforzado con fibras metálicas mantiene su resistencia a la flexión. Los beneficios adicionales proporcionados por las fibras metálicas al shotcrete son: • mayor resistencia contra impactos • mayor resistencia a la abrasión y a la erosión • mayor estanqueidad y resistencia a la congelación debido a la conversión de fisuras de contracción en microfisuras • mayor capacidad de adherencia, en comparación con el shotcrete básico o reforzado con mallas electrosoldadas Las fibras metálicas no deben nunca utilizarse en el shotcrete por vía seca debido al elevado rebote de las mismas (>50 %).
5.3.2
Fibras sintéticas Las fibras de plástico cortas son resistentes y duraderas (embebidas en el concreto), pero sus propiedades mecánicas son similares a las del concreto y no mejoran las propiedades ni imparten viscosidad al concreto; por tal motivo no sirven para aplicaciones de soporte de roca, pero sí son apropiadas en los casos en que únicamente se requiere refuerzo para contrarrestar la contracción (en particular, contracción plástica). Tienen un efecto muy eficiente en la distribución de microfisuras durante la fase plástica del endurecimiento, y también reducen el rebote en la proyección por vía húmeda. Adicionalmente, las fibras sintéticas tienen un efecto positivo en la resistencia al fuego del shotcrete. Recientemente, la compañía Synthetic Industries de los Estados Unidos desarrolló un nuevo tipo de fibra sintética que se asemeja más a la forma de la fibra metálica. Estas fibras, llamadas HPP 152, están hechas de materiales de alta calidad y se producen en longitudes de 30 y 50 mm. Pruebas realizadas en Europa y Australia demuestran que este tipo de fibra puede lograr una tenacidad apropiada en dosis moderadas (10 – 13 kg/m3), y que alcanza valores aproximados de 700 – 900 julios en el ensayo de placa de la EFNARC. Este resultado concuerda bastante con el logrado con 30 – 40 kg/m3 de fibras metálicas de alta calidad. Este nuevo tipo de fibra sintética es de interés para la industria y puede ser una adición importante para aquellos casos en que no sea posible añadir fibras metálicas al shotcrete por diversas razones (p. ej., corrección de superficie, fibras en la superficie, y cuando se requiere un refuerzo eficiente para mejorar la ductilidad del shotcrete). Tabla 7: Resultados de un ensayo de comparación hecho con fibras metálicas Harex (varias dosificaciones) y HPP 30 y 50 mm (varias dosificaciones) en Moab, República Sudafricana. De este ensayo se
110
111
Uno de los problemas principales que queda por resolver con las nuevas fibras HPP 152 es la pérdida elevada de las fibras. Es necesario modificar el diseño de la mezcla a fin de producir un asentamiento mayor, y se debe emplear una nueva técnica de proyección (patrón diferente, distancia más corta al substrato y menos aire). Sería interesante combinar una dosis baja de las nuevas fibras HPP 152 con fibras metálicas para obtener una ductilidad excelente, menos fisuras y rebotes y ahorro de costos debido al menor contenido de fibra por m3.
concluyó que 7,5 kg/m3 de HPP 50 proporcionan una mayor energgía de absorción que 40 kg/m3 de las fibras metálicas ensayadas. Tipo de fibra y contenido
Espesor del panel (mm)
Absorción de energía Resultados individuales
20 HX, 20 kg
A: 107 B: 114 C: 113
194 206 232
211
A: 117 B: 113 C: 132
519 285 341
382
40 HX, 40 kg
A: 99 B: 108
288 370
5 HPP, 5 kg (30 mm)
A: 110 B: 106 C: 108
224 243 142
203
7.5 HPP, 7,5 kg (30 mm)
A: 92 B: 108 C: 102
136 212 102
150
10 HPP, 10 kg (30 mm)
A: 112 B: 108 C: 114
371 393 230
331
5 HPP, 5 kg (50 mm)
A: 106 B: 100 C: 99
249 146 176
190
7.5 HPP, 7,5 kg (50 mm)
A: 104 B: 100 C: 113
539 35* 394
467
10 HPP, 10 kg (50 mm)
A: 107 B: 125 C: 121
527 865 558
650
28 HX & 5 HPP 20 kg HX + 5 kg HPP 50 mm
A: 111 B: 124 C: 132
413 401 497
437
30 HX, 30 kg
Promedio
Fibras de carbono Desde el punto de vista técnico las fibras de carbono tienen propiedades mecánicas ideales para el soporte de rocas, pero en la práctica no se utilizan debido a que son sumamente costosas.
329
5.3.4
Fibras metálicas Éstas son las fibras más utilizadas para el shotcrete. Existen varias clases y calidades disponibles en el mercado, pero sólo algunas reúnen los requisitos establecidos para el shotcrete reforzado con fibra. Los parámetros críticos de las fibras metálicas son: • Geometría • Longitud • Relación largo/espesor (L/D) • Calidad del acero En la práctica se busca una fibra delgada y larga con acero de alta calidad (igual o mayor que el refuerzo ordinario). La mayoría de las fibras metálicas disponibles en el mercado son de calidad insuficiente. Dramix 30/50 y 40/50, Novotex 0730 (0,7 x 30 mm) y Harex CF 30/0,5 son las fibras típicas que satisfacen los requisitos para el shotcrete reforzado con fibras metálicas.
5.4
*: Panel fisurado – los resultados no se incluyeron en los cálculos promedio. HX: Fibra metálica Harex, acero de calidad 1100 MPa
112
5.3.3
Ventajas técnicas de las fibras metálicas
El soporte de rocas está acompañado de riesgos constantes de cargas inesperadas y deformación. El mejor margen de seguridad posible se logra con una capa de shotcrete que tenga la más alta energía de rotura (ductilidad) posible. 113
Carga P
La energía de rotura de las fibras metálicas es también mayor que la de las mallas electrosoldadas, lo cual ha sido comprobado en los estudios a gran escala realizados al principio de los años 80 por la Asociación de Investigación Técnica Noruega (NTNF), una entidad independiente (véase la fig. 25).
Con refuerzo de fibra metálica
La prueba simula un bloque cayendo sobre una capa de shotcrete de 10 cm. a) Shotcrete con 1 % de fibras metálicas b) Shotcrete con mallas electrosoldadas en el centro de la sección
Sin refuerzo
Deformación
Figura 24: Las dos curvas muestran la deformación bajo la variación de la carga P aplicada a capas de shotcrete con o sin refuerzos de fibras metálicas de última generación. El área bajo la curva representa la energía de rotura. Si bien la adición de fibras metálicas ordinarias duplica la energía de rotura del shotcrete, con la adición de las nuevas fibras metálicas se alcanza un valor de energía de rotura que es de 50 a 200 veces mayor (véase la fig. 24). En términos prácticos, esto significa que con estas nuevas fibras, una capa de shotcrete puede agrietarse y deformarse y aún conservar una gran capacidad de carga, de manera que en circunstancias normales hay tiempo suficiente para poder observar las fisuras o deformaciones y poder tomar las medidas pertinentes.
La aplicación de ambas clases de capas de shotcrete reforzado se hizo con un espesor de 10 cm sobre tres bloques de piedra granítica (véase la fig. 26). Al cabo de 28 días se aplicaron varias cargas (P) sobre el bloque del medio y se midió la deformación resultante. La prueba demuestra que la energía de rotura del shotcrete reforzado con fibra metálica es mucho mayor que la del shotcrete reforzado con mallas tradicionales.
Bloque de piedra granítica
Bloque de piedra granítica
Fibras metálicas
Falla a rotura
Falla de la malla
Rotura de la adherencia
Figura 26 Carga P (kN)
Deformación Malla electrosoldada
Figura 25: Comparación de la energía de rotura de fibras metálicas y mallas electrosoldadas 114
En teoría, el shotcrete reforzado con mallas electrosoldadas puede exhibir resultados similares si la capa tiene un espesor mayor de 15 cm y el acero es de buena calidad. Sin embargo, la malla de alambre común se fabrica de alambres estirados en frío. Esta malla tiende a romperse bajo deformaciones muy pequeñas, y por tanto es peligroso utilizarla ya que las aplicaciones de soporte de roca involucran deformaciones. Asimismo, los refuerzos de alambre electrosoldado crean un problema de calidad para el shotcrete. El efecto de sombra puede producir vacíos detrás de las varillas, lo cual es un problema serio que a la larga conduce a corrosión del refuerzo y fisuración del concreto. El peligro que supone la calidad dudosa de la malla electrosoldada y el efecto de sombra puede evitarse fácilmente utilizando el refuerzo 115
de fibra metálica, un material que se combina muy bien con el shotcrete fabricado por vía húmeda y a un costo bajo. Esta característica es idónea para las aplicaciones de soporte de rocas, en las cuales se espera que siempre haya deformación.
5.5
Ventajas económicas de las fibras metálicas
Al sustituir la malla electrosoldada con fibras metálicas se puede evitar una operación peligrosa y difícil. Esto facilita que el concreto reforzado con fibra compita con la malla tradicional. Las fibras metálicas producen ahorros de tiempo y dinero: • Ahorros en costos directos: El costo directo de las fibras metálicas equivale a un 50 a 60 % del costo directo de la malla electrosoldada (mano de obra más material). • Ahorros en costos indirectos: Se pueden evitar los costos indirectos involucrados en aplicar el shotcrete en dos capas (requerido cuando se utilizan mallas electrosoldadas). También se evitan los retrasos debidos a otras operaciones de construcción de túneles. • Ahorros en el shotcrete utilizado: Las fibras metálicas permiten aplicar el espesor requerido de shotcrete en toda la superficie, independientemente de la irregularidad del substrato. Se evita también el problema de mayor rebote causado por las mallas electrosoldadas, así como también el efecto de «sombras» detrás de las mismas.
5.6
• Es necesario aumentar el asentamiento a un mínimo de 10 – 14 cm. Esto significa que el shotcrete reforzado con fibra requiere una dosis mayor de superplastificantes. • Por razones de anclaje, el tamaño de las fibras debe ser al menos el doble del tamaño del agregado máximo. • La fibra debe tener un largo no superior a 50 a 60 % del diámetro de la manguera de bombeo. Esto significa que para la proyección manual, la máxima longitud de fibra normal es 25 mm; para robots con mangueras de 65 mm, es posible hacer la proyección con una longitud de fibra hasta de 40 mm. • Las fibras metálicas pueden añadirse antes, después o durante la dosificación de los materiales del concreto. Si se produce aglomeración de fibras (bolas), puede eliminarse modificando la secuencia de dosificación.
Diseño de la mezcla para el shotcrete reforzado con fibra metálica
El diseño de la mezcla con fibras metálicas requiere experiencia teórica y práctica del personal. • El shotcrete reforzado con fibra requiere el uso de microsílice y aditivos para poder contrarrestar los efectos negativos que tienen las fibras sobre el bombeo y la proyección. Además, es importante que la adherencia entre el acero y la matriz de concreto sea óptima, lo cual se logra con la adición de microsílice con un agregado de tamaño máximo de 8 mm. • Se requiere un contenido mayor de material fino (mín. 400 kg). 116
Figura 27: Shotcrete moderno: proyección robótica con aditivos y fibras metálicas de alta tecnología
117
construcción antes de la colocación de un revestimiento secundario. Sin embargo, con el uso del shotcrete para revestimientos permanentes de doble capa (véase el cap. 9), frecuentemente se debe considerar la durabilidad del concreto para una vida prevista de 100 o más años.
Capítulo 6 Durabilidad del shotcrete
Tal como se observa en la fig. 28, la durabilidad de una estructura de shotcrete se establece por la combinación de muchos parámetros posibles. A diferencia de las construcciones tradicionales con concreto colado, en las construcciones con shotcrete no basta con utilizar un diseño correcto de mezcla y refuerzos. La razón principal de ello es que el material se aplica por proyección, y por tanto la calidad depende en alto grado de la destreza humana y del funcionamiento del equipo de proyección. En este capítulo se discuten brevemente los principales aspectos de durabilidad mostrados en la fig. 28.
Como resultado de la creciente aplicación del shotcrete como material de construcción permanente, han aumentado las exigencias impuestas a su durabilidad. El uso de acelerantes tradicionales en dosis elevadas provoca daños serios del shotcrete, incluso poco tiempo después de su aplicación. La durabilidad del revestimiento de un túnel debe ser tal que el revestimiento permanezca seguro y en servicio durante la vida útil prevista sin necesidad de mantenimientos costosos. Para lograr tal durabilidad, el diseñador debe evaluar la exposición ambiental de la estructura tanto durante la construcción como durante la operación, dado que la degradación estructural ocurre normalmente como resultado de cambios ambientales imprevistos.
• Revisión del diseño por parte de terceros independientes • Revisión del diseño durante la construcción • Control de calidad • Evaluación de riesgos • Competencia
Especificaciones modernas pertinentes
Control del sitio: monitorización y soluciones
Condiciones de terreno y agua alrededor de la estructura
Diseños construibles
Factores humanos
Diseño «construible»
Condiciones ambientales y de cargas futuras
6.1
EQUIPO DE DISEÑO Estructura de shotcrete duradero
Personal aplicador debidamente capacitado y adiestrado
¿Proyección por vía húmeda o por vía seca?
Método de curado Diseño de mezcla correcto y selección del acelerante apropiado
Aplicación manual o por robot
Factores estructurales
• Monitorización, revisión y puesta en práctica de medidas durante la construcción • Control de calidad • Evaluación de riesgos • Competencia • Supervisión • Capacitación
EQUIPO DE CONSTRUCCIÓN
Comunicación
• Secuencias de construcción • Refuerzos permanentes del terreno • Detalles de uniones e intercapas • Exposición física y química • Propósito y vida prevista del túnel • Parámetros de diseño y efectos del tiempo • Refuerzos o fibras • Métodos de impermeabilización • Geometría del perfil • Propiedades del material
• • • •
Diseño de la mezcla Tipo de acelerante Métodos de aplicación Selección y funcionamiento de los equipos • Métodos de curado • Mejoramientos del terreno
Figura 28: Parámetros de durabilidad de una estructura de shotcrete
Figura 29: Factores humanos y estructurales
Con esto en mente, el término «durabilidad» puede relacionarse con estructuras diseñadas para resistir cargas durante un periodo de
En referencia a las estructuras de túneles de concreto ya existentes, los principales problemas de durabilidad no están directamente rela-
118
119
cionados con el concreto mismo sino más bien con la corrosión de los refuerzos metálicos que no tienen suficiente protección contra la humedad o las entradas de agua. Los túneles de shotcrete permanente tienen otros problemas de durabilidad, particularmente en términos de proporcionar las propiedades requeridas del material tales como compactación, y con los problemas de estabilidad asociados a la cantidad de aditivos utilizados por los modernos métodos de aplicación de shotcrete por vía húmeda. Tal como se resume en la fig. 29, para el diseño y la construcción de revestimientos de túneles de shotcrete duraderos se requiere emplear una metodología de trabajo «holística». Fundamentalmente, el método de revestimiento de shotcrete depende en alto grado de las destrezas de los operarios durante la construcción, y por tanto el diseño debe reflejar tal dependencia considerando la «constructibilidad» de estas estructuras con shotcrete.
6.2
Especificaciones y guías
En la industria del shotcrete es desafortunadamente muy común copiar y utilizar los mismos documentos de especificaciones y guías año tras año, sin que se haga una investigación a fondo sobre los nuevos avances en el campo del shotcrete. El reciente aumento en el uso de shotcrete por vía húmeda se ha convertido en una oportunidad para reexaminar las especificaciones, y actualmente se están publicando nuevos documentos que reflejan los últimos avances en la tecnología del shotcrete (tal como la Especificación Europea del Shotcrete [1996]) emitida por la EFNARC, véase el cap. 10.5).
6.3
Aptitud del equipo de construcción
Los integrantes del equipo de construcción deben estar enpleno conocimiento de los elementos de diseño necesarios para lograr la seguridad y durabilidad de la estructura del túnel. A fin de garantizar la calidad del revestimiento de concreto, los sistemas de revisión de calidad deben ser adecuados para controlar la producción. Es crítico mantener una comunicación constante entre los equipos de diseño y de construcción, desde la etapa de prediseño hasta la finalización del proyecto, para así asegurarse de poner en marcha los procesos antes mencionados (para mayor información, véase el cap. 10.5).
120
6.4
Diseño de la mezcla de shotcrete
El factor determinante de la durabilidad de una estructura de concreto es la permeabilidad: mientras más baja sea ésta, más se reducirá el acceso de sustancias potencialmente nocivas y por ende se inhibirán reacciones químicas en las que podría participar el concreto con consecuentes cambios químicos. Para lograr disminuir la permeabilidad en las aplicaciones de shotcrete se debe procurar tener: • Materiales de granulometría apropiada para el sistema de aplicación de shotcrete en cuanto a facilidad de bombeo, trabajabilidad, reducción del rebote y buena compactación (véase la fig. 5 del cap. 3.5.2). Se deben efectuar ensayos de todos los agregados para determinar el riesgo de reacciones álcali-sílice. • Un contenido de cementante adecuado, por lo general entre 400 y 500 kg. El contenido de cemento debe ser al menos 350 kg. • Relaciones agua/cementante predefinidas y bajas (inferiores a 0,45); esto se logra mediante agentes reductores de agua y superplastificantes. Los superplastificantes modernos, conocidos como «hiperplastificantes» pueden proporcionar relaciones agua/cementante entre 0,35 y 0,4, al mismo tiempo que mantienen un asentamiento de 20 cm. • Materiales puzolánicos tales como microsílice (humos de sílice) y cenizas volantes. La microsílice tiene un efecto definido de relleno en cuanto a que distribuye los productos de hidratación de una manera más homogénea en el espacio disponible. Como resultado, se logra un concreto con menor permeabilidad, mayor resistencia a los sulfatos y mayor durabilidad frente a los ciclos de congelación-deshielo. • Control de microfisuración a 0,2 mm utilizando refuerzos metálicos en vez de mallas, lo cual promueve una recuperación autógena. • Dosis bajas controladas de acelerantes libres de álcali, a fin de minimizar la pérdida de la resistencia final en comparación con la mezcla base, así como también lograr una reducción significativa de lixiviados, menos rebote y polvo, y por sobretodo, condiciones de trabajo mejores y más seguras. • Aditivos de control de la hidratación para evitar la hidratación prematura de la mezcla antes de que se aplique al substrato. La prehidratación puede causar efectos sumamente perjudiciales a las propiedades físicas del shotcrete endurecido, tales como reducción en la resistencia y la densidad y aumento de la permeabilidad. • Métodos de curado aplicables (véase el cap. 4.3). 121
Coeficiente aparente de difusión del cloruro (m2/s)
Coeficiente de difusión de oxígeno (m2/s)
Coeficiente de permeabilidad al agua (m/s)
• El uso de 6 % de microsílice en cemento OPC proporciona una resistencia a los sulfatos comparable a la del cemento resistente a los sulfatos (SR). Esto es importante, dado que se prefiere utilizar cemento OPC en shotcrete (en vez del SR) debido a su mayor rapidez de fraguado y desarrollo de la resistencia inicial. • Mientras menor sea la relación agua-cemento, mejor es el comportamiento de resistencia a los sulfatos. Se recomienda emplear una relación agua/cementante inferior a 0,45 y preferiblemente, con la ayuda de nuevos hiperplastificantes, mantener una relación agua/cementante menor de 0,4.
Permeabilidad alta Permeabilidad promedio Permeabilidad baja
Datos del shotcrete con acelerantes libres de álcalis y con silicato sódico modificado
Tabla 8: Resistencia del shotcrete a los sulfatos (SINTEF, 1999) Tipo de cemento
Fuente de las clases de permeabilidad: Concrete Society Technical Report No. 31 (1988)
Reactividad álcali-sílice de los agregados
Figura 30: Prueba y resultados de permeabilidad para shotcrete con acelerantes de sodio modificado y libres de álcali de MBT En el informe técnico n.° 31 de la Sociedad de Concreto (Reino Unido), «Pruebas de permeabilidad de concreto en la obra» (1988), se define una gama de pruebas de permeabilidad en la obra. Se incluyen tres clases de concreto que exhiben una permeabilidad alta, promedio y baja, basado en los resultados típicos de ensayo. En la fig. 30 se identifican las pruebas y los límites de permeabilidad para el shotcrete, así como también los límites de los resultados de ensayo para muestras que utilizan la tecnología de MBT. Estos resultados demuestran claramente la durabilidad del shotcrete como material de revestimiento.
6.5
Nuevos aditivos acelerantes libres de álcali
SINTEF (Noruega) ha llevado a cabo un grupo de pruebas de resistencia a sulfatos, cuyos resultados se muestran en la tabla 8. Una resistencia a sulfatos excelente se denota como «alta». A partir de estos resultados, se puede concluir lo siguiente: • Para producir un shotcrete resistente a los sulfatos, se pueden utilizar acelerantes libres de álcalis en dosificaciones hasta del 10 %. • En cementos OPC, los acelerantes libres de álcalis exhiben mejores resultados que los acelerantes de silicato sódico modificado. 122
OPC
OPC
OPC
OPC
SR
reactivos
reactivos
no reactivos
no reactivos
ligeramente reactivos
Microsílice
0%
6%
0%
6%
0% y 6%
Relación agua/cementante
0,45
0,47
0,52
0,48
0,45 – 0,48
Silicato sódico mod. 5%
moderada
alta
ninguna
alta
alta
Silicato sódico mod. 10%
ninguna
alta
ninguna
alta
alta
Libre de álcalis 5%
alta
alta
ninguna
alta
alta
Libre de álcalis 10%
moderada
alta
ninguna
alta
alta
Acelerante y dosificación:
Ninguna resistencia: expansión mayor de 0,1% Resistencia moderada: expansión entre 0,05% y 0,1% Resistencia alta: expansión menor de 0,05%
6.6
Estabilidad química de los nuevos acelerantes
Recientes microanálisis demostraron que las muestras de shotcrete con aditivos acelerantes contenían fases minerales similares a aquellas presentes en un concreto de control. Además, tanto las muestras de control como las que contenían aditivos exhibieron patrones de fisuración similares. A través de los estudios se concluyó que al no haber diferencia químicas ni estructurales entre los dos tipos de concreto, no se afecta la durabilidad a largo plazo del shotcrete que contiene aditivos acelerantes. Mediante los ensayos de permeabilidad, resistencia a la compresión y resistencia a la flexión, no se ha probado que la microfisuración a edad temprana cause efectos perjudiciales a la estabilidad o a la durabilidad del concreto. 123
6.7
Durabilidad del refuerzo de fibra metálica
alcanzar la durabilidad es utilizar diseños «construibles», manteniendo los detalles tan simples como sea posible.
En ambientes corrosivos, el shotcrete reforzado con fibra metálica ofrece mucha más durabilidad que el concreto reforzado con malla electrosoldada, puesto que no favorece las celdas de corrosión galvánica tan comunes que provocan daños considerables en los revestimientos de túneles con refuerzos convencionales. Se elimina el riesgo de fisuración del concreto debido a la corrosión porque no hay suficiente aumento volumétrico causado por corrosión de la fibra. Además, las fibras (que son discontinuas) están protegidas por una matriz de álcali. Por tanto, no se presenta un mecanismo de propagación de la actividad corrosiva, tal como lo demuestran numerosos estudios de investigación de estructuras expuestas a ambientes sumamente salinos y a ambientes de congelación-deshielo. Así se concluye que es innecesario utilizar fibras metálicas inoxidables para lograr durabilidad.
• La técnica de aplicación del shotcrete por vía húmeda, llevada a cabo con equipos y aditivos modernos de alto desempeño que no dañan el medio ambiente, ofrece a la industria de construcción de túneles una herramienta económica para construir revestimientos de capa individual permanentes y duraderos. Hoy en día el proceso de construcción está sumamente automatizado, lo cual ha reducido significativamente el grado de influencia humana que antiguamente pesaba en la decisión de no considerar el shotcrete como soporte permanente. • Las especificaciones modernas del shotcrete incluyen los factores para lograr un diseño de mezcla moderno y de calidad controlada, suministrando una guía para facilitar la durabilidad y la ejecución eficaz de los procesos de proyección. Por ejemplo, la nueva Especificación Europea del Shotcrete (1996) emitida por EFNARC, describe sistemas completos para lograr un shotcrete permanente.
Ahora bien, las fibras metálicas al carbono expuestas en la superficie de concreto tienden a dejar manchas de óxido. Por razones cosméticas y de seguridad, y para controlar la fisuración térmica, los revestimientos permanentes de shotcrete reforzado con fibras metálicas, deben protegerse con una capa de mortero delgada que contenga las nuevas fibras sintéticas HPP 152.
6.8
• Con la tendencia creciente a utilizar revestimientos duraderos de shotcrete, recientemente se han introducido al mercado nuevas tecnologías para promover y mantener su uso. Estos sistemas mejoran la estanqueidad y proporcionan una excelente resistencia al fuego.
Requisitos de aplicación
Frecuentemente, los beneficios de las mezclas diseñadas para alcanzar los requisitos de durabilidad de la estructura quedan anulados por deficiencias en los procesos de aplicación (véase el cap. 10).
6.9
• A mitad de la década de 1990 comenzó el crecimiento acelerado del uso de shotcrete duradero para túneles y otras estructuras de ingeniería civil. Dicha tendencia seguirá en aumento a medida que los equipos de diseño y los de construcción se familiaricen más con la tecnología moderna del shotcrete y con el concreto duradero que puede producirse.
Conclusión
• El desarrollo del diseño de la mezcla de concreto es apenas uno de los varios pasos necesarios para lograr un revestimiento de shotcrete duradero. La producción de un shotcrete duradero depende significativamente de la destreza humana durante la proyección, y del uso de equipos adecuados para el propósito. • La función del diseñador es fundamental. Es necesario que el mismo entienda los procesos de aplicación del shotcrete y no sobreespecifique las propiedades del material. La clave para
124
6.10
Ejemplo de C-45
Cemento Microsílice Agregado GleniumTM T803 Fibras poliméricas Relación agua/cementante
450 kg 20 kg 0–8 mm 2,5 – 3 kg 7,5 – 10 kg 0,40
125
Variación en la mesa de asentamiento Adición en la boquilla: MEYCO® SA161
>55 cm
Capítulo 7
4–8%
Equipos
La mezcla se estabiliza durante más de 3 – 4 horas debido al uso del GleniumTM T803. El mundo de la construcción subterránea se caracteriza por situaciones de alto riesgo y fechas de entrega apremiantes. Por eso, y a pesar de las numerosas aplicaciones técnicas disponibles, el contratista de hoy necesita de un socio competente y confiable. Para lograr la calidad y la eficiencia requeridas, es fundamental disponer de equipos, productos y servicios fiables y de alta calidad.
La resistencia final del concreto debe ser mayor que la resistencia especificada. Siempre que los materiales, el diseño de mezcla y la ejecución de la proyección estén correctos, debe obtenerse una resistencia final superior a la especificación.
6.11
Efectos de utilizar diferentes diseños de mezclas
Al igual que ha pasado con la tecnología de materiales, ha habido también un desarrollo acelerado en el sector de equipos, por lo cual hoy en día existen maquinarias adaptables a las siempre cambiantes condiciones de la industria de la construcción. Existe una amplia gama de sistemas aplicables a todas las obras de shotcrete, desde la construcción de grandes túneles que requieren la proyección de grandes cantidades de concreto, hasta pequeños trabajos de reparación. La tendencia general apunta hacia sistemas integrados y automatizados que garanticen volúmenes de producción más altos, uniformes y de calidad controlable, y mejores condiciones laborales.
Es sumamente importante obtener consistencias blandas (>25 cm). Las dosis elevadas de acelerantes producen una gran reducción de la resistencia final y riesgo subsiguiente de segregación y taponamiento. Las dosis bajas de cemento (<400 kg) redundan en márgenes mínimos en relación con sub-estándares y requieren un control firme de la dosis del acelerante y de las condiciones de endurecimiento, además de disminuir la capacidad de producción y aumentar significativamente el rebote. El exceso de microsílice (12 – 15 %) produce un concreto sumamente pegajoso y difícil de bombear. Para compensar este problema, se debe utilizar un asentamiento superior. Un contenido alto de agregados gruesos (p. ej., un 20 % mayor de 4 mm), lleva a mayores pérdidas por rebote. Los agregados triturados provocan un gran desgaste de bombas y mangueras y grandes pérdidas por rebote, así como también suponen riesgos de deshidratación y taponamiento. El exceso de fibras largas crea problemas de bombeo y compactación: cavidades alrededor de las fibras, propiedades mecánicas deficientes, bajas resistencias y adherencias inferiores a las superficies. Estos problemas pueden reducirse utilizando fibras de menor longitud.
126
7.1
Aplicación manual
7.1.1
Equipos/sistemas para la proyección por vía seca La mayoría de las maquinarias modernas funcionan con sistema de rotor.
7.1.1.1 Principios de funcionamiento (MEYCO® Piccola, MEYCO® GM) La mezcla por vía seca es agregada a la tolva de alimentación (1, véase la fig. 31). A medida que el rotor gira, dicha mezcla va cayendo por su propio peso por una ranura de alimentación situada en una de las cámaras del rotor (2). Mientras se llena una de las cámaras, se sopla aire comprimido en la otra cámara (llena). La mezcla se descarga en la abertura de la salida (3), impulsada bajo una presión de 127
3 – 6 bars a través de la tubería de transporte y hacia la boquilla de proyección, en donde se le agrega el agua. El rotor está sellado por ambos lados con discos de caucho.
pueden emplear diámetros hasta de 80 mm. Asimismo el aumento de los diámetros de las tuberías va acompañado de un aumento en el consumo de aire comprimido.
1 = Tolva de alimentación 2 = Rotor 3 = Salida p = Aire comprimido
Figura 33: Diferentes tipos de boquillas para proyección por vía seca
Figura 31: Principio de operación de un equipo de rotor para proyección por vía seca
Entre otros parámetros que determinan el tamaño de la tubería de transporte figuran la granulometría de la mezcla por vía seca, la forma de grano de los agregados, el abastecimiento de aire comprimido, la distancia y la altura de transporte.
7.1.1.2 Avances La tecnología de los equipos de proyección por vía seca busca reducir la generación de polvo y disminuir la altura de llenado de las cámaras del rotor, a fin de garantizar un flujo uniforme de la mezcla y mejorar la resistencia al desgaste.
7.1.1.3 Sistemas integrados para aplicación manual
Figura 32: MEYCO® Piccola y MEYCO® GM: Máquinas típicas de proyección por vía seca Este equipo tiene ventajas esenciales como facilidad de uso, resistencia y adaptabilidad a las condiciones específicas de la obra. Según el diámetro de la salida y de la tubería de transporte así como del tipo del rotor, su rendimiento varía entre 0,5 y 10 m3/h. Si se aumenta la producción de proyección incrementando el volumen de la cámara y la velocidad rotativa, es necesario redimensionar consiguientemente la tubería de transporte. El diámetro máximo para proyección es 65 mm, mientras que para propósitos únicamente de transporte (p. ej., para colocación detrás del encofrado), se 128
Figura 34: Equipo MEYCO® Repjet Para trabajos de reparación y construcción, se requieren sistemas compactos y móviles que contengan los equipos necesarios para la 129
Este diseño asegura un ajuste de la dosificación análogo a la capacidad de proyección.
Un equipo que cumple con estos requisitos es el MEYCO® Repjet. Su chasis está diseñado para soportar los módulos especificados a continuación; dichos módulos pueden ser integrados o desmontables, y se ofrecen como opciones: • Unidad de bomba hidráulica integrada (para el accionamiento del MEYCO® Piccola y accesorios) • Limpiador de agua a alta presión • Unidad dosificadora (para acelerantes/activadores) • Equipo de stripping • Iluminación del sitio • Controles remotos • Bomba para aumentar la presión del agua • Máquina de proyección por vía seca MEYCO® Piccola • Compresor de aire • Equipo de limpieza con chorro de arena • Generador de corriente alterna • Motor diesel (fuente de energía)
Características principales: • Tres circuitos independientes de presión de aceite, cada uno de ellos alimentados por una bomba independiente. • Válvula de selección rápida en forma de «S» (tubo en S) con un sistema especial de control de alta presión (bomba auxiliar con acumulador de frente).
Equipos/sistemas para la proyección por vía húmeda La proyección por vía húmeda se efectúa con bombas de doble pistón.
Teclado de entrada Potenciómetro Flujo de concreto
Cantidad de adición real
Pantalla
Tarjeta de amplificador Válvula prop.
Boquilla de proyección
CLP
Entrada
Cantidad de adición requerida
7.1.2
proyección, y que sean independientes de fuentes de alimentación externas.
Cantidad de adición real
Flujómetro
Convertidor de frecuencia Bomba dosificadora
Controlador
7.1.2.1 Avances
Adición
Para garantizar una proyección uniforme, los últimos desarrollos en maquinarias procuran un transporte sin pulsaciones de la mezcla por vía húmeda, desde la bomba hasta la boquilla. Un ejemplo de ello es la máquina MEYCO® Suprema de MBT. Diseñada con un sistema de avance integrado al ajuste de la salida y controlado electrónicamente, esta máquina minimiza la pulsación del flujo de material hasta un punto en que éste prácticamente no se nota en la boquilla. Todas las funciones de la máquina están supervisadas, coordinadas y controladas por un sistema integrado de control programable de memoria (PLC) que permite verificar y controlar datos que también pueden imprimirse (p. ej., cantidad de dosificación de aditivos, capacidad de producción, etc.). El sistema de accionamiento de la máquina tiene incorporada una unidad dosificadora de aditivos líquidos, la cual está también conectada al sistema PLC. 130
Figura 35: Principio de funcionamiento del sistema MEYCO® Dosa TDC (control de dosificación total) • Pistones de alimentación con alimentación reversible (para impedir las obstrucciones). Los pistones se invierten automáticamente cuando se excede la presión de transporte máxima. • Cilindros hidráulicos con ajuste automático de la carrera. • Sistema de avance especial a través de una válvula proporcional en coordinación con el sistema de control PLC. Dado que el sistema de avance (controlado electrónicamente) está vinculado con el ajuste de salida del material, la pulsación por el flujo del material queda reducida a un mínimo, y prácticamente no se nota en la boquilla. 131
• El sistema PLC supervisa, coordina y controla todas las funciones de la máquina. Asimismo, permite verificar y controlar datos que también pueden imprimirse, tales como cantidad de dosificación de aditivos, capacidad de producción, etc. Cualquier error en los sistemas hidráulico o eléctrico será indicado en la pantalla; las causas de los desperfectos pueden determinarse a través del programa de ayuda del sistema PLC, y se muestran en la pantalla. • MEYCO® Dosa TDC: Sistema de dosificación para aditivos líquidos. Esta unidad de dosificación integrada es una bomba helicoidal de variación continua con un motor eléctrico embridado (con control de frecuencia) que está conectado al accionamiento de los pistones de alimentación (concreto/hidráulicos) a través del sistema PLC. Así se garantiza un ajuste de la capacidad de dosificación, análogo a la capacidad de proyección.
Información técnica del equipo MEYCO® Suprema
Dimensiones Largo Ancho Alto Altura de alimentación Peso (vacío) Máx. presión de bombeo del concreto Conmutador de tubo en «S» Tubería de transporte Unidad de dosificación integrada
2,5 m 1,5 m 1,95 m (aprox.) 1,1 m (aprox.) 2200 kg 75 ó 50 bars 150/125 mm 50 mm, 65 mm ó 100 mm Bomba helicoidal
7.1.2.2 Sistemas integrados para aplicación manual Varias clases de aplicaciones en la construcción de túneles (p. ej., grouting, backfilling, reparación y reperfilado), requieren morteros premezclados para facilitar la proyección. Estas aplicaciones requieren adaptabilidad, capacidad de compactación y facilidad de manejo, y todas estas características las ofrece el equipo MEYCO® Deguna 20T, una bomba helicoidal con mezcladora integrada. Tiene salida ajustable de 5 a 40 l/min (variador mecánico) y presión máxima del mortero: 40 bars.
Figura 36: MEYCO® Suprema: Sistema de dosificación integrado, sistema de control computarizado (PLC), proyección sin pulsaciones, con ajuste automático de la dosificación con el volumen proyectado Figura 37: MEYCO® Deguna 20T Máxima capacidad de transporte (teórico) Distancia de transporte, horizontal Distancia de transporte, vertical Consumo de aire en la boquilla Proyección a mano: Proyección robotizada: 132
2 – 14 m3/h ó 3 – 20 m3/h 300 m 100 m 5–7 m3/min a 5–6 bars 10–15 m3/min a 7 bars
Otro ejemplo de un equipo comprobado es la bomba de shotcrete Rambo (15 kW), la cual fue desarrollada específicamente como una unidad eficaz y económica para la proyección en áreas que requieren buena compactación y facilidad de manejo. La unidad tiene una capacidad aproximada de 5 m3/hora, y contiene una bomba helicoidal para dosificación del acelerante. El modelo montado sobre pati133
nes tiene un peso total de 950 kg (también hay disponibilidad de montajes en vagón y en ruedas de caucho).
Los brazos de proyección («robots») sirven para aplicaciones de grandes cantidades de shotcrete, especialmente en construcciones de túneles y galerías, o para protección de chimeneas y taludes. Gracias a equipos mecanizados y automatizados, es posible aplicar grandes volúmenes de shotcrete – por vía seca o húmeda – en condiciones óptimas y mejores condiciones laborales para los operarios de la boquilla.
Figura 38: Bomba Rambo de doble pistón
7.2
Proyección mecanizada
7.2.1
Brazos de proyección
Figura 39: Brazo de proyección MEYCO® Robojet 134
Figura 40: Brazo de eje MEYCO® Robojet 135
Plataforma superior
MEYCO® Robojet Anillos de largueros en doble T
Vagón transportador
Arreglo de boquilla
Plataforma inferior
Figura 41: Ejemplo de plataformas de hundimiento de eje 136
Arreglo de equipo robotizado para aplicación de shotcrete reforzado con fibra metálica de alto rendimiento en revestimiento de túneles.
Los robots de proyección se componen típicamente de los siguientes elementos: • ensamblaje de lanza con boquilla • brazo mecanizado • control remoto • unidad de mando • plato giratorio o adaptador-consola (para diferentes versiones de montaje)
La lanza permite cualquier movimiento de la boquilla que se requiera para la proyección. Estos equipos están disponibles en longitudes de 1, 2 o 3 metros. El montaje de lanza está acopado al brazo, el cual puede moverse en cualquier dirección y alargarse mediante una extensión incorporada. Se controla mediante un control remoto portátil. El equipo MEYCO® Robojet, por ejemplo, tiene 16 funciones separadas de movimiento individual que se controlan mediante 4 palancas de mando. Permite automatizar operaciones rutinarias tales como movimientos horizontales de avance y retroceso, o movimientos circulares de la boquilla. La activación del cabezal de proyección se efectúa mediante tres accionadores hidráulicos independientes, lo cual garantiza el funcionamiento de la boquilla en ángulos ideales para la superficie. La boquilla puede girar 360°, en sentido horario o antihorario. El montaje de lanza se mantiene automáticamente paralelo al eje del túnel. El control remoto está equipado con un cable de 20 m de largo y por tanto puede operarse desde un lugar seguro para el personal. La unidad de mando puede instalarse de varias maneras, según el montaje. El equipo tiene su propia fuente de energía eléctrica, pero es también posible activarlo mediante el generador. El MEYCO® Robojet puede instalarse en varias clases de vehículos de transporte, tales como un chasis excavador, un camión, una TBM, etc.
Figura 42: Solución especializada de MBT: El brazo de proyección MEYCO® Robojet está integrado a una máquina tuneladora de diámetro pequeño. 137
El equipo MEYCO® Robojet Logica es un brazo de proyección de última generación, que ha sido desarrollado en conjunto con la industria y universidades. Tiene 8 grados de libertad y permite al operario manipular la proyección en varios modos, desde puramente manual a semiautomático o totalmente automático, dentro de áreas seleccionadas del túnel. En uno de los modos, el operario emplea una palanca de mando de 6 dimensiones (ratón espacial).
Semiautomático Mando de 6 palancas en panel de mando
Panel con pantalla de contacto
Figura 43: Solución especializada de MBT: El brazo de proyección MEYCO® Robojet está integrado a una máquina tuneladora de gran diámetro. Las figuras 40 – 43 muestran conceptos integrados para los sistemas de excavación mecanizados y TBM. Su diseño e instalación en módulos les permiten satisfacer la mayoría de los requisitos y las especificaciones de construcción de túneles y cuele vertical.
Automático
7.2.1.1 Brazos de proyección asistidos por computadora
Manual
Figura 44: MEYCO® Robojet Logica 138
Figura 45: Modos operativos del equipo MEYCO® Robojet Logica 139
La función de este brazo de proyección asistido por computadora no es la de automatizar toda la tarea de proyección, sino más bien de simplificarla y permitir al operario utilizar el robot como una herramienta inteligente y trabajar de una manera eficiente y con alto nivel de calidad. Debido a que permite mantener un ángulo correcto de proyección y una distancia uniforme de proyección, se logra una reducción significativa del rebote y por tanto, del costo. La nueva maquinaria está basada en el bien conocido principio cinemático del MEYCO® Robojet. Un sistema de control efectúa el cálculo cinemático. Un sensor de láser mide la geometría del túnel, y esta información se utiliza para controlar automáticamente la distancia y el ángulo de la proyección. Además, si después de la proyección se mide nuevamente el perfil del túnel, el sistema proporciona información del espesor de la capa de shotcrete aplicada, algo que hasta ahora únicamente era posible mediante extracción de testigos y mediciones. Si se requiere una forma final exacta del perfil del túnel, el sistema de control opera el robot para que realice la proyección de estos límites definidos de forma automática.
7.2.2
Sistemas móviles de proyección
ventajas de manejo sencillo para el operario con una capacidad de salida 30 % superior (máx.). Todos los equipos necesarios para realizar labores de proyección de una manera económica están integrados en las siguientes unidades:
Figura 47: MEYCO® Cobra Spraymobile (para aplicaciones mineras) • Máquina de proyección por vía húmeda MEYCO® • Sistema de dosificación para acelerantes líquidos MEYCO® Dosa TDC • Brazo de proyección MEYCO® Robojet o Robojet Compacta • Depósito de almacenamiento de acelerantes • Compresor de aire • Carrete de cable con impulso hidráulico, incl. cable • Equipo motor electrohidráulico • Sistema de control central (sólo uno) • Control remoto con cable o radio remoto
Figura 46: Spraymobile MEYCO® Potenza. Este sistema modular permite la construcción de sistemas de proyección que satisfacen las demandas y necesidades de clientes/productos. El nuevo Spraymobile MEYCO® Potenza es un equipo desarrollado por MBT, que condensa la vasta experiencia adquirida en más de 15 años de construcción de spraymobiles. Esta unidad combina las 140
Figura 48: MEYCO® Mamba Spraymobile (para aplicaciones mineras) 141
• • • •
Limpiador de agua a alta presión, incl. tanque de agua Luces de trabajo Sistema de lubricación central Chasis de cuatro ruedas directrices, tracción total, con motor diesel
7.3
Sistemas de dosificación
Figura 50: MEYCO® Mixa 15 Cuando se emplean aditivos líquidos, es importante garantizar una dosificación constante e uniforme con respecto al peso del cementante. Esto requiere una bomba dosificadora apropiada (p. ej., la MEYCO® Mixa). Figura 49: MEYCO® Roadrunner 2000. Este sistema de proyección móvil contiene todos los equipos específicos del MEYCO® Spraymobile, instalado en un camión idóneo para circulación. Todos los equipos pueden ser activados bien sea desde una fuente diesel externa, o bien mediante su propio motor diesel. Además del MEYCO® Spraymobile, también contiene un depósito para el agente de curado.
7.2.3
Ventajas de la proyección mecanizada • Ciclos de proyección reducidos debido a la mayor capacidad de producción y a la eliminación de tareas consumidoras de tiempo (tales como instalación y retiro de plataformas), particularmente en túneles con perfiles variables. • Ahorro de costos debido a la reducción del rebote y de la mano de obra. • Mejor calidad del shotcrete gracias a la proyección uniforme. • Mejores condiciones de trabajo para el operario de la boquilla gracias a la protección contra desprendimientos, rebote, polvo y acelerantes.
142
7.4
Sistemas de boquilla
Los sistemas de boquilla son una parte importante del equipo de proyección. Los efectos esenciales de las boquillas son: • reducir el rebote • mejorar la adherencia • mejorar la compactación mediante: • la mezcla apropiada de acelerantes/activadores y aire, en el caso del método de proyección por vía húmeda • la mezcla apropiada de acelerantes/activadores y agua, en el caso del método de proyección por vía seca Para obtener un shotcrete de óptima calidad y bajo desgaste es fundamental utilizar los sistemas correctos de boquilla (p. ej., fabricado por MBT [ver arriba]) adaptado al tipo de aplicación (método por vía húmeda o vía seca, aplicación robótica o manual) y el acelerante/activador idóneos.
143
Bomba dosificadora
Acelerante
MEYCO® Suprema
Aire 7 bar 10 – 12 m3/min
Sistemas para mediciones del desarrollo de resistencia
7.5.1
Aguja de penetración La aguja de penetración mide el desarrollo de la resistencia inicial durante las dos primeras horas. Es un método de ensayo indirecto que consiste en empujar una aguja de dimensiones constantes a una profundidad definida dentro del shotcrete fresco. La resistencia medida es una indicación de la resistencia a la compresión del mismo.
Aire
Unidad reductora de presión
7.5
Aire + acelerante
Aire + acelerante
Figura 53: Aguja de penetración MEYCO® En realidad este método proporciona una combinación de la resistencia a la compresión y el esfuerzo de cortante, o la resistencia a deformaciones plásticas locales. Los agregados contenidos en el shotcrete y el comportamiento de soporte de la granulometría influyen significativamente en los resultados.
Figura 51: Sistema de boquilla para acelerantes basados en silicatos modificados y libres de álcalis, para aplicaciones mecanizadas
7.5.2
Prueba de adherencia (pull-out)
Figura 52: Boquilla típica para aplicación de shotcrete por vía húmeda; para utilizarse con brazos de proyección y para aplicación manual
Figura 54: MEYCO® Kaindl, instrumento de medición de la resistencia inicial 144
145
Esta prueba determina el desarrollo de resistencia entre las 3 y 24 horas. Este método mide la fuerza necesaria para sacar un perno especial previamente colocado antes de aplicar el shotcrete. A partir de esta fuerza y del área superficial de la probeta cónica truncada, es posible calcular la resistencia a la tracción a cortante, y en consecuencia la resistencia a compresión de un shotcrete reciente en el momento de la prueba.
146
Capítulo 8 Diseño de soporte de rocas
Una de las ventajas que tiene el shotcrete como método de soporte es su extrema flexibilidad, muy superior a la de otras técnicas tales como encofrado o recubrimiento de concreto vaciado, entre otras. Para aprovechar al máximo esta flexibilidad, es fundamental utilizar el shotcrete como parte del recubrimiento final del túnel y adaptarlo a los diferentes tipos de rocas. Dentro de este contexto, una aplicación importante es el soporte de rocas. En este capítulo se presentan los principios que deben emplearse para tal fin. El diseño de soporte de rocas es un campo sumamente especializado y diferente al diseño de otras estructuras civiles. Por tal motivo, es necesario adaptarlo a «situaciones inevitables» tales como las siguientes: • No se conocen todas las características y propiedades del «material de construcción». • El «material de construcción» es muy variable (incluso dentro de distancias cortas). • Hay limitaciones serias y numerosas en: 1) las informaciones proporcionadas por las investigaciones geológicas; 2) los parámetros de los materiales rocosos que pueden ensayarse (limitaciones de precisión e importancia); 3) los métodos de cálculo y de elaboración de modelos. • El comportamiento de las secciones excavadas depende del tiempo y de los cambios en las condiciones de agua. • No se dispone del tiempo necesario para realizar ensayos de parámetros (para efectos de cálculos y elaboración de modelos). El progreso de la excavación es muy superior a la capacidad disponible para las actividades antedichas. Por tanto, es obvio que cualquier diseño exitoso para la construcción de labores subterráneas debe considerar estos hechos. El único método razonable de diseño es uno que se vaya adaptando a las circunstancias que surjan durante el avance de la obra. En la vida real, muchos proyectos de construcción de túneles se basan en otras metodologías. Por ejemplo, a veces se utiliza un diseño de soporte basado en investigaciones previas de la masa 147
rocosa y en la tradicional metodología carga/capacidad/factor de seguridad; esto inevitablemente lleva a un diseño del tipo «caso más desfavorable», el cual quizás sea necesario sólo en una pequeña parte del túnel. Cálculos analíticos y numéricos Las herramientas de cálculo son componentes importantes del diseño de soporte de rocas. Para poder calcular cargas, esfuerzos, deformaciones, capacidad de soporte, etc., es necesario establecer los parámetros de entrada y disponer de fórmulas y programas computarizados a fin de elaborar modelos numéricos. Esto requerirá efectuar, en mayor o menor grado, una serie de tareas como las expuestas a continuación: • Muestreo y ensayos de una variedad de parámetros del material rocoso • Pruebas de parámetros de discontinuidad (uniones) • Mediciones de esfuerzos de rocas (in situ), frecuentemente en barrenos largos • Investigación de las condiciones del agua subterránea • Análisis de datos geométricos (forma del túnel, intersecciones, etc.) • Análisis de efectos a mayor escala de los parámetros medidos en el laboratorio • Análisis de las labores a excavarse y de las secuencias de excavación • Identificación de los parámetros del material de soporte de rocas Los cálculos analíticos son rápidos y apropiados para obtener aproximaciones preliminares. En situaciones más complejas, sin embargo, las posibilidades son bastante limitadas. Frecuentemente se ejecutan análisis numéricos (análisis de elementos finitos) como modelos bidimensionales en computadoras. La obtención de resultados puede tomar días de preparación y de ejecución, incluso para casos relativamente sencillos. Una vez que se hayan llevado a cabo ciertas tareas básicas para un proyecto dado, se pueden realizar análisis de sensibilidad y nuevos cálculos tomando en cuenta las informaciones actualizadas.
Evaluación de métodos de diseño de cálculo y empíricos Para el diseño de soporte de rocas es posible utilizar métodos empíricos, los cuales consisten en clasificar la roca inmediatamente después de su exposición, seguido por la instalación del soporte de roca recomendado. Este abordaje toma en cuenta la variabilidad real de las condiciones de roca (y no depende de «suposiciones» con respecto a dicha calidad). Probablemente el mejor método establecido de esta clase es el «Q», desarrollado por el Dr. Nick Barton y sus colegas del Instituto Geotécnico Noruego. Los métodos de cálculo, por otra parte, son usualmente muy lentos para hacer frente al progreso de construcción de un túnel y las variaciones tan frecuentes en la calidad de la roca. Todo el procedimiento de operaciones de muestreo, pruebas y cálculos para una situación dada en el túnel, podría tardarse varios días. Obviamente las obras de instalación del soporte y de avance del frente del túnel no pueden esperar a la finalización de estos pasos. En los casos de localidades más específicas tales como cavernas para centrales eléctricas, estaciones de ferrocarril, etc., los cálculos pueden ser muy útiles y pueden ajustarse con más facilidad durante el progreso de los trabajos. La limitación básica sigue siendo el hecho de que todos los datos de entrada, fórmulas y modelos numéricos contienen numerosas incertidumbres y cálculos aproximados. Por tal razón, a veces la precisión de los resultados es deficiente, y es difícil predecir cuándo y dónde ése será el caso. Una característica especial de las superficies de rocas de voladura es su geometría extremadamente complicada. El contorno de las mismas no puede alisarse con una capa relativamente delgada (50 a 200 mm) de shotcrete para obtener una geometría de arco definida. Los cálculos también se dificultan debido a la compleja interacción del comportamiento del terreno con el paso del tiempo, en comparación con la hidratación y el aumento de resistencia del shotcrete con el tiempo, así como la variación del espesor del shotcrete y de la resistencia de adherencia.
La elaboración de modelos tridimensionales numéricos es usualmente una tarea tan compleja, que sólo puede llevarse a cabo mediante computadoras centrales.
148
149
8.1
Método observacional Este método, que ha existido desde que el hombre comenzó a construir túneles, se basa en el sentido común y a veces en las necesidades básicas, y refleja las consecuencias de las «situaciones inevitables» descritas al principio de este capítulo: A continuación se exponen los elementos básicos del método: • El soporte de roca debe designarse para las condiciones (o variaciones en condiciones) esperadas, como un pronóstico del soporte de rocas. En este trabajo de diseño se puede utilizar cualquier método empírico y de cálculo que se considere útil y necesario. • Al concluir la excavación y la instalación del soporte, debe llevarse a cabo una verificación del pronóstico mediante inspección visual, control de deformaciones, esfuerzos, cargas, presión de agua y cualquier otro medio considerado necesario. Es posible que se requiera ajustar el soporte o agregar soportes locales (también sujeto a verificación). • El pronóstico deberá actualizarse basado en la retroalimentación de datos de pasos previos, y de esta manera hacer los posibles ajustes de diseño. Las ventajas del método observacional son obvias. La masa rocosa funciona como un «laboratorio a gran escala», en donde participan – y se consideran – parámetros conocidos y desconocidos. Este método facilita flexibilidad de trabajo, una acción inmediata cuando se requiera y un soporte adaptado a las condiciones reales encontradas, todo lo cual lleva a soluciones más equilibradas y menos costosas. Hoy en día se acepta y se utiliza el método observacional para una gran cantidad de proyectos de construcción de túneles. Tal como se describió anteriormente, la construcción de túneles es una materia que requiere una laboriosa toma de decisiones. Es importante entender las razones que justifican utilizar la metodología descrita para estructuras subterráneas. Sin duda alguna, las soluciones «prediseñadas», basadas en una metodología de diseño estructural con códigos y normas establecidas (tales como las que se aplican para estructuras de acero y concreto, tales como puentes y edificios), no pueden aplicarse en estos casos. El muy conocido método NATM (New Austrian Tunneling Method) es un procedimiento de aplicación basado en el método observacional. 150
Mecanismos activos del shotcrete sobre roca
Aun si se aplica el método observacional para aplicaciones de soporte de rocas, es útil entender el sorprendente efecto de estabilización que tienen las capas delgadas de shotcrete. Sólo así podremos evaluar combinaciones con otras medidas de soporte, y las limitaciones de tales soluciones. Hay ciertas características del proceso de aplicación del shotcrete que deben tenerse en cuenta: • El concreto es proyectado contra la superficie de la roca a altas velocidades, de 20 a 100 m/s según el método y los equipos utilizados. • El rebote se compone principalmente de partículas gruesas. La cantidad del rebote es mayor en el primer impacto; en las etapas de proyección posteriores, cuando haya concreto «semisuave» en la superficie, se adherirá más concreto. El resultado de ello es un aumento de agregados finos directamente en la superficie de la roca. • El concreto aplicado se va compactando con las proyecciones sucesivas (capas). • La capa de shotcrete se adherirá a la superficie con una máxima resistencia de adherencia de 3 MPa. • La superficie de la roca queda completamente encapsulada. • En mayor o menor grado, los agregados finos llenan las fisuras y las uniones. De las características anteriores se pueden identificar los efectos de estabilización que se nombran a continuación: • Efectos de cuña, producidos por el mortero y los agregados finos introducidos en las fisuras y juntas en el contorno de roca (dichos efectos se asemejan al del mortero entre ladrillos en una pared o un arco). • Resistencia al punzonamiento, lo cual significa que un bloque suelto puede caer únicamente por los esfuerzos de corte a través de la capa de shotcrete. • Efecto de arco: a veces sólo funcionan arcos locales. • Aislamiento contra: cambios de humedad, efectos de aire o temperatura, efecto de lavado del agua fluyente, etc. • Mantenimiento de la estabilidad existente al momento de la aplicación. • Efecto simultáneo y combinado de los mecanismos mencionados anteriormente.
151
8.2
Carga, P
Para capas de shotcrete delgadas, es obvio que el modo de operación se asemeja más al de un refuerzo de roca que al de un soporte de roca. En la superficie de la roca se producirá una acción compuesta por el substrato de roca y el concreto que se está endureciendo. Se ha observado que capas de shotcrete incluso de 30 mm son muy eficaces en algunas situaciones, lo cual respalda la idea básica de una acción «compuesta».
Carga máxima, falla de adherencia
Propagación de la grieta
Shotcrete sobre roca diaclasada
Falla límite en flexión
Deformación Detalle
Capa de shotcrete
Bloque fijo
Bloque cargado 3,7 m (x 1,2 m)
Bloque fijo
P
P
Figura 56
Cilindro hidráulico
37
P
P
t
(b 1 2
)
Figura 55 Desde los años 70 hasta el principio de los años 80 se realizaron en Escandinavia y América del Norte una gran cantidad de pruebas de modelos a gran escala. Está fuera del alcance de este libro presentar todos estos experimentos, pero para fines ilustrativos expondremos a continuación algunas pruebas sencillas y sus resultados.
Para espesores superiores a 30 mm (y básicamente independiente del espesor), las pruebas demostraron que la resistencia a la adherencia es crítica. En la fig. 56 se demuestra el comportamiento básico del modelo (refiérase al «detalle» de la fig. 55). Para una roca normal granítica, el análisis de los resultados indicó que el ancho de la zona de adherencia a carga máxima era aproximadamente 30 mm. Este número puede utilizarse para un cálculo ilustrativo de una resistencia de adherencia de 1,0 MPa (bastante normal): El peso volumétrico de la roca puede ser, γ = 27 000 N/m3 Se utiliza un bloque cúbico de roca, con longitud de borde, λ m
En Suecia, el Dr. Jonas Holmgren utilizó un banco de pruebas como el mostrado en la fig. 55. Se utilizó una capa de shotcrete plana (sin efecto de arco), y se evitó la entrada del concreto en la abertura entre los bloques (es decir, no hubo efecto de mortero de ladrillo). Utilizando variaciones de la capa de shotcrete y mediciones de cargas y deformaciones, Holmgren descubrió algunos hechos importantes:
La resistencia de adherencia, tal como se mencionó anteriormente, es, τ = 1,0 MPa = 106 N/m2 Ancho de la zona de adherencia, a carga máxima, β = 0.03 m (según Holmgren) La fuerza motriz es el peso del bloque, W = γλ3 (vése la fig. 57)
Para espesores de capa inferiores a 30 mm, el bloque móvil sencillamente se punzonaba a través del shotcrete. Este resultado es el esperado; la carga se relaciona directamente con la resistencia a cortante del shotcrete y su espesor. 152
La fuerza de resistencia es creada por la zona de adherencia a lo largo de los cuatro bordes del bloque, F = 4λβτ
153
A carga máxima, la fuerza motriz es igual a la fuerza de resistencia, y podemos calcular el tamaño del bloque teórico máximo que puede sostenerse sólo por la resistencia de adherencia: __ _____ _______________ λ = √ 4βτ/γ = √ 4*0,03*106/27000 = 2,11 m
ción interior (convergencia) ocurrirá generalmente en forma de deformaciones generales diferenciales. Conforme el contorno se mueve hacia adentro, su longitud se acorta, lo cual induce fuerzas a compresión en el compuesto roca/shotcrete. De esta manera el shotcrete está ayudando al material rocoso a soportarse a sí mismo (nuevamente, este efecto es de refuerzo, más que de soporte de carga). Para que este proceso se lleve a cabo, es necesario que la capa de shotcrete tenga una resistencia a compresión razonable, con buena adherencia a la superficie de la roca.
Si lo expresamos en términos de volumen y peso, un bloque de más de 9 m3 y peso de 25 toneladas podría mantenerse fijo en su lugar. Nótese que no hemos considerado los efectos de arqueo local, de mortero de ladrillo ni tampoco la fricción existente dentro de la roca; obviamente este cálculo es sólo un ejemplo para ilustrar un orden de magnitud, y no debe tomarse como una declaración definitiva de que 35 mm de shotcrete son suficientes para soportar tal bloque.
Si la relación entre los esfuerzos de la roca y la resistencia de la roca no permite una solución de soporte del tipo «compuesto» y de capa delgada, es posible que se requiera utilizar un anillo de concreto vaciado o de shotcrete. En la fig. 58 se da el ejemplo de un túnel construido con una rozadora (TBM), con un recubrimiento de shotcrete circular completo. En este caso se puede calcular el efecto de arco, y la resistencia de adherencia no afecta el comportamiento de la estructura.
λ
W = γ λ3 λ
λ β τ = F/4
Capa de shotcrete
P
β
t = 0.15 m
Figura 57
8.3
Resistencia a la compresión del shotcrete Espesor del shotcrete Radio del túnel Carga de distribución radial Presión máxima del soporte: 1 P = 2 σc
La razón más obvia para el efecto inmediato y a corto plazo es el mantenimiento de la estabilidad existente. El shotcrete produce un efecto de «piel» en la superficie de la roca, previniendo en mayor grado los movimientos diferenciales en el contorno. Una deforma154
1-
(R i - tc) 2 R2i
= 2,53 MPa = 253 toneladas/m2
Shotcrete sobre roca blanda o fisurada
En muchos casos no se puede suponer la existencia de cuñas o bloques individuales soportados por una capa delgada de shotcrete. La experiencia ha demostrado que al construirse un túnel con materiales machacados y débiles, se logra un efecto notable de estabilización a corto plazo, incluso con capas delgadas. En tales situaciones no es posible aplicar la teoría de bloque y cuña ni tampoco mecanismos de soporte. Es un poco más complicado ilustrar el por qué y el cómo se comporta en estas condiciones.
σc = 35 MPa tc = 0,15 m Ri = 2,0 m P=?
Figura 58
8.4
Fundamentos de mecánica de rocas
La excavación de un túnel propicia cambios en el campo de esfuerzos que rodea la abertura. Si los esfuerzos son lo suficientemente elevados o si la roca es suficientemente débil, la roca circundante se moverá lentamente hacia el espacio libre (además del pequeño efecto de relajamiento elástico). Esta deformación radial interna (convergencia) puede ser controlada mediante medidas de soporte, o puede continuar hasta provocar el colapso de una zona rocosa fracturada en el túnel. 155
En la fig. 59 se muestra un túnel circular en donde σh = σv = P0. También se muestra el esfuerzo radial σr y el esfuerzo tangencial σt en el momento justo antes de la excavación. Se considera que el material rocoso es elástico. σv
Una manera alterna de ilustrar la situación de las figuras 59 y 60 es mediante las curvas de reacción del suelo y las de respuesta del soporte, las cuales son útiles cuando se diseña el soporte de roca necesario para limitar y detener la deformación. En la fig. 61 se muestra un gráfico de reacción del suelo, consistente en una curva idealizada de carga-deformación que describe la deformación radial según la presión del soporte. La curva de reacción del suelo expresa, en un punto dado, la presión de soporte necesaria para balancear la carga e impedir deformaciones adicionales. La línea n.° 3 de la fig. 61 muestra un caso en que la roca está sobrecargada y se creó una zona plástica.
2 P0
σt σh
P0
σr σr σ
=
σh
La magnitud de la deformación y el espesor de la zona plástica dependen de la fricción interna y otros parámetros de resistencia del material rocoso. Otro factor importante es la magnitud del esfuerzo.
= P0
v
Figura 59 La situación de esfuerzos cambiará al poco tiempo de la excavación, y si la roca es suficientemente débil se creará una zona triturada tal como la que se muestran en la fig. 60. La deformación radial resultante de tal trituración (deformación plástica) se conoce también en inglés como squeezing. En este caso simplificado, la zona plástica es circular y concéntrica al túnel. Si se establece cierto soporte, el Pi de la figura representa la presión del soporte contra la superficie de la roca.
En la parte elástica, la carga disminuye cuando se permite la deformación. En una situación de esfuerzos bajos, la línea recta elástica podría continuar hasta carga cero, tal como lo muestra la línea n.° 1. En este caso no se necesitaría instalar un soporte. A un nivel de esfuerzos ligeramente mayor, se desarrollaría una zona plástica delgada indicada por la línea n.° 2. Si el nivel de esfuerzos es alto, podemos seguir la línea n.° 3. La razón del aumento de carga es el peso del material fracturado en la zona plástica de la clave. Este efecto de gravedad no se aplica ni a las paredes ni al piso. Pi
1: Sólo deformación elástica, estable 2: Cierta deformación plástica, estable 3: Zona fracturada gruesa, inestable
σt σr
P0
Pi
σr Zona Plastic plástica zone Elasticelástica zone Zona
=
σh
= P0
Re ac ció n
de ls ue lo
Pi máx.
Re ac so ció po n d rte el
2 P0
Curva 3 Presión del soporte
P0
3
1 Elástica
Plástica
Estable
Inestable
Figura 61
Figura 60
156
2 Deformación, u
157
Los elementos de soporte se cargarán por la deformación de la roca según una curva de respuesta dada. En la fig. 61 se ilustra la instalación del soporte luego de haber ocurrido cierta deformación inicial. También se muestra la carga máxima y la capacidad de deformación del soporte. El punto de intersección entre las curvas de reacción del suelo y del soporte define la carga de soporte final y la deformación total de la roca. El diagrama demuestra el efecto combinado y la interacción entre la roca misma y los elementos de soporte. Es importante instalar estos elementos en el momento adecuado, con suficiente capacidad de carga y con la rigidez correcta. Pi
•
Capacidad menor, menor rigidez, estable Soluciones óptimas
Demasiado suave, demasiado tarde
Deformación, u
Figura 62 La fig. 62 muestra algunas características de soporte que ilustran los principios antes mencionados. Un soporte fuerte y rígido podría estar sobrecargado, mientras que uno más débil y más dúctil es satisfactorio. También es posible que el soporte rígido funcione bien si se instala más adelante. La idea es optimizar el soporte, lo cual significa dejar que el material rocoso soporte tanta carga potencial como sea posible.
8.5
•
Capacidad alta, excesiva rigidez, fallando
Presión del soporte
P0
•
Método NATM
Si tomamos en cuenta los pasos prácticos normalmente realizados para el NATM, nos damos cuenta de que este método puede clasificarse como «observacional». Los pasos son los siguientes: • Se reúnen datos geológicos, datos de mecánica de rocas y procesamiento de este material en combinación con las dimensiones del túnel, etc. «Procesamiento» significa elaborar un diagnó158
•
stico de carga y deformación para un conjunto de casos de calidad de roca, contemplando el alineamiento del túnel. Para el desarrollo del pronóstico se podrá utilizar cualquier herramienta de cálculo necesaria. Sobre la base del paso anterior, se elabora un plan de soporte preliminar que puede incluir elementos tales como espesor del shotcrete, cantidad, longitud y resistencia de los pernos de anclaje, clase de cerchas y separación entre ellas, etc. Las decisiones sobre la secuencia de excavación/soporte y datos de control deben estar basadas en un pronóstico de la velocidad y magnitud de la deformación para diferentes situaciones. La excavación del túnel procede según el plan preliminar, con los ajustes necesarios según la calidad de roca observada. Se instalan instrumentos de control a intervalos en el túnel excavado, entre los cuales pueden figurar extensómetros, pernos de medición, celdas de carga en el recubrimiento, celdas de carga en pernos de roca, etc. Es necesario controlar continuamente el comportamiento de los miembros de soporte y el sistema combinado de roca y soporte. Después de controlar el túnel por un tiempo adecuado, se decide sobre el soporte final. Según los requisitos y la filosofía de diseño, la decisión podría dirigirse hacia no instalar soportes adicionales, o en ciertos casos, a instalar un recubrimiento de concreto.
La filosofía del NATM es permitir una pequeña deformación, de manera que el sistema de soporte aguante una mínima carga. En términos prácticos, esto usualmente lleva a utilizar shotcrete como primera medida de soporte. El espesor normal puede variar entre 50 y 300 mm. Generalmente se utiliza refuerzo de shotcrete (mallas electrosoldadas o fibras metálicas) y pernos de anclaje. En casos de rocas débiles o túneles de más de 50 m2, se utilizan frecuentemente cerchas livianas o vigas de celosía. Otra adición muy importante de la metodología NATM es el soporte anular cerrado. Un soporte anular cerrado de shotcrete es más rígido que uno en forma de herradura, y su capacidad de carga total es también superior (lo mismo se aplica a todas las clases de soportes de nervadura). Nuevamente, se debe enfatizar la importancia del momento de instalación de tal cierre anular con relación a la rapidez y la magnitud de la deformación. Toda esta explicación de los mecanismos y principios del shotcrete para soporte de rocas (secciones 8.1 a 8.5) tiene la finalidad exclusi159
va de servir como una ilustración limitada de un asunto sumamente complejo. Sin importar el «nombre» de la metodología, (método «Q», NATM, RMR, etc.), nosotros sólo recomendamos utilizar los principios generales del método observacional. La construcción de túneles en áreas urbanas está frecuentemente acompañada de profundidades de excavación poco profundas, con riesgos sumamente peligrosos. Podría ser necesario enfocar el diseño en soluciones de soporte decididas previamente, con menor (o ningún) énfasis en la transferencia de carga al terreno mismo. En muchas ciudades las condiciones del terreno son bien conocidas con anticipación, y generalmente éste consiste en algún tipo de suelo (más que de roca).
8.6
Propiedades importantes del shotcrete para soporte de roca
La importancia relativa de los diferentes parámetros de materiales para el shotcrete depende del tipo de problema de estabilidad. Por ejemplo, la adherencia (no la resistencia a la compresión) tiene importancia primordial en el caso de capas delgadas aplicadas a roca dura para prevenir la caída de cuñas y rocas sueltas. Sin embargo, la resistencia a la compresión es crítica cuando se contempla un soporte anular cerrado grueso en terreno suave; en este caso la adherencia es de menor importancia. La resistencia a la compresión puede ser utilizada como una indicación indirecta de la durabilidad. El concreto debe exhibir una durabilidad satisfactoria en el ambiente donde se aplique. Con relación a ello, puede haber una diferencia entre un túnel de carreteras con tráfico pesado y un túnel de transporte de agua. En la mayoría de los casos el shotcrete debe exhibir un grado de resistencia de 35 MPa según una prueba estándar nacional. En los túneles de carretera submarinos noruegos, se exige actualmente un concreto de grado 45 MPa. Generalmente otro parámetro importante es la adherencia a la superficie de la roca; lamentablemente no es fácil medir esta característica con precisión, y la misma muestra una gran variabilidad dentro de distancias cortas. A menudo los contratistas se niegan a especificar la adherencia requerida debido a que los resultados del control pueden originar muchos problemas. En nuestra opinión, se debe mantener el enfoque en la resistencia a la compresión, la técni160
ca de aplicación y la limpieza previa de la superficie. Así se obtendrá la mejor adherencia posible permitida por la superficie en cuestión. La resistencia a tracción del shotcrete no es tan importante, y en cualquier caso no puede contemplarse en consideraciones de diseño porque siempre hay posibilidades de formación de fisuras de contracción en secciones críticas. A través de la grieta no hay ninguna resistencia a la tracción, y lo mismo se aplica a la resistencia a flexión del shotcrete mismo. Es importante lograr la resistencia a compresión requerida mediante un diseño de mezcla que produzca la menor contracción posible, debido a que: • Mientras menor sea la contracción, mejor será la adherencia. • Mientras menor sea la contracción, habrá menos agrietamiento y mayor durabilidad. Para lograr una mínima contracción, se debe procurar un contenido bajo de agregados finos y cemento, una relación agua/cementante baja (generalmente inferior a 0,45), y se debe emplear una técnica correcta de aplicación (buena compactación y ángulos correctos de proyección). Siempre se debe utilizar un compuesto de curado después de la aplicación, rociado con agua, o un curador interno de concreto (MEYCO® TCC735). Una cuestión de diseño es el espesor de la capa de shotcrete. El contratista distribuirá el volumen de concreto necesario para lograr el espesor requerido. Éste es un problema práctico, especialmente si el espesor especificado es grande (≥200 mm) y si el espesor total es colocado en un área limitada durante una operación. En tales circunstancias, la tendencia es aplicar en las paredes más concreto que el requerido, y menos en la clave; desde el punto de vista de estabilidad se desearía lo opuesto. Finalmente, un parámetro muy importante en la aplicación del shotcrete es el desarrollo de la resistencia inicial: mientras mayor ganancia haya dentro de los primeros minutos y primeras horas, habrá más seguridad y economía. El uso de acelerantes provoca alta resistencia inicial, y la operación es más económica si se facilita construir un espesor total en una labor continua, incluso en un área limitada.
161
8.7
Refuerzos
ensayo de vigas a flexión (véase la fig. 64). Los ensayos modernos tales como el ensayo EFNARC se basan en pruebas de paneles proyectados. Carga P
El refuerzo tradicional del shotcrete es la malla de acero (normalmente de 3 a 6 kg/m2 y aberturas cuadradas de 100 a 150 mm), también llamada malla electrosoldada. Este producto no debe nunca sustituirse con mallas del tipo utilizado para cercas, las cuales generalmente están hechas de un alambre de 2 a 3 mm de espesor y aberturas de 50 mm; las aberturas pequeñas y el movimiento de este tipo de malla provoca rebotes altos, acumulaciones en su cara anterior y huecos detrás de ella.
Refuerzo con fibra metálica
Sin refuerzo Deformación
Túneles Shing Mun, Hong-Kong
Figura 64
Contratista: Gammon, Dragages, Skanska Perforación Carga/Voladura
Un ciclo de shotcrete reforzado con fibra metálica, 6,5 h Un ciclo de shotcrete reforzado con malla, 14,0 h
1.a capa de shotcrete (y última capa) Transporte roca excavada Instalación de la malla electrosoldada 2.a capa de shotcrete
8.8
Métodos de soporte de túnel
En la mayoría de los países del mundo, el shotcrete había sido considerado tradicionalmente como un soporte temporal. Ahora bien, el creciente énfasis en el ahorro de costos ha impulsado el interés por los recubrimientos de túneles de shotcrete en una pasada (single shell). Para esta metodología se prefiere el shotcrete por vía húmeda de alto rendimiento combinado con fibras metálicas. Espesor de shotcrete (cm)
Túnel de 50 m2 Horas acumuladas
Figura 63 La instalación de mallas electrosoldadas se hace manualmente, y por tanto es difícil mejorar su eficiencia. Dado que la capacidad de producción es fija, el costo del refuerzo por mallas está siempre aumentando. El costo directo de construcción de la malla electrosoldada por m2 está en las proximidades de 20 a 30 francos suizos. En la fig. 63 se muestra el aumento sustancial de la capacidad tuneladora general al pasar de malla electrosoldada a shotcrete reforzado con fibra metálica. Es importante entender el propósito del refuerzo en el shotcrete. En aplicaciones de soporte de rocas, existe continuamente la posibilidad de cargas y deformaciones inesperadas. El mejor margen de seguridad posible se logra con una capa de shotcrete que tenga la más alta energía de rotura posible. La energía de rotura (tenacidad) está representada por el área bajo la curva carga-deformación del 162
Ma yor sec ció Da n pro x . 10 Me m no rs ec ció n
Calidad de la masa rocosa, Q
Figura 65 Entre las combinaciones de soporte más comunes figuran: pernos de anclaje (en ocasiones con tiras de acero), shotcrete (usualmente reforzado con fibras metálicas) y concreto vaciado con encofrado metálico. 163
La última tendencia para los casos de rocas deficientes es reemplazar el concreto vaciado tradicional con shotcrete reforzado con fibras metálicas combinado con pernos de anclaje y arcos reforzados con varillas de acero y shotcrete (véase la fig. 66). Esta solución ofrece más flexibilidad que el uso de vigas de celosía prefabricadas.
Varillas de acero corrugado
Capítulo 9 Revestimientos permanentes de shotcrete para túneles
Pernos de anclaje
9.1
150 mm 0,5–1,0 m
Áreas sin shotcrete Áreas con shotcrete
2,0–5,0 m
Distancia entre pernos de anclaje Q=0,1 Q=1,0 Q=10 Q=30 1,2 m 1,4 m 2,0 m 3,4 m 1,3 m 1,6 m 3,0 m 4–5m
Figura 66: Soporte con nervaduras de shotcrete reforzado con fibra
Desarrollo de los revestimientos permanentes con shotcrete para túneles
Los trabajos de construcción de túneles tradicionales han utilizado un revestimiento temporal de shotcrete para estabilizar la abertura después de la excavación y contener las cargas de corto a mediano plazo. Una vez que se ha estabilizado completamente, se aplica un concreto tradicional como revestimiento permanente (in situ) que soporte ciertas cargas a largo plazo y proporcione durabilidad y estanqueidad, bien sea utilizando una membrana impermeable entre los revestimientos temporales y permanentes, o bien utilizando refuerzos de acero para reducir el ancho de las fisuras a 0,2 mm y permitir una recuperación autógena. A esto se le conoce como el método de la doble capa. Desde 1994 ha habido un progreso notable de la tecnología del shotcrete gracias al desarrollo de aditivos y métodos de aplicación estables (particularmente con el método por vía húmeda), lo cual ha llevado a obtener un concreto duradero de alta calidad. Los proyectos de extensión de la Jubilee Line y del Enlace Ferroviario Heathrow Express (1996) utilizaron un revestimiento final permanente de shotcrete reforzado con fibra en vez del hormigonado convencional in situ sobre shotcrete temporal. Esto disminuyó los costos y el tiempo de construcción, particularmente en las secciones de geometría compleja. La tecnología moderna del shotcrete ofrece a la industria de construcción de túneles un sistema mucho más barato de revestimiento, en forma de un shotcrete permanente en una pasada. Este económico sistema está caracterizado por un revestimiento estructural duradero, hermético y con posibilidades de un acabado superficial muy similar (si no igual) al del concreto vaciado tradicional. El método de revestimiento de túnel en una sola pasada (Single Pass Tunnel Lining, o SPTL), descrito en este capítulo mantiene la filosofía
164
165
de diseño del revestimiento temporal de shotcrete, pero con un mejor desempeño del material y mejor control de construcción. En este caso, el revestimiento de shotcrete SPTL primario puede considerarse como un elemento estructural permanente y duradero, que satisface los requisitos estructurales tanto durante la construcción como durante la vida prevista de la estructura. El método puede aplicarse bien sea como una capa individual, o bien (si se requiere) en acción monolítica con una capa adicional de shotcrete instalada posteriormente durante el proceso de construcción.
9.2
Relación costo/eficacia de los revestimientos de túneles de una pasada
El método SPTL puede traer ahorros significativos en comparación con el tradicional de doble capa por dos razones: 1) ninguna parte del revestimiento es considerada un «soporte temporal», y 2) se reduce tanto el volumen de excavación como el material del revestimiento, y por ende el tiempo de construcción disminuye. Con el SPTL de una capa se pueden lograr ahorros del 20 al 40 % en comparación con una estructura de doble capa, según la sección transversal y longitud del túnel así como también de las condiciones de las rocas. Al analizar los costos de un túnel construido con el método SPTL de dos capas, se nota una diferencia considerable entre la opción de una segunda capa lanzada o vaciada in situ (debido al alto costo de arranque de un encofrado de acero para una segunda capa vaciada in situ), o la opción de una segunda capa de shotcrete permanente sin encofrado. Es posible que en un futuro la adopción del método observacional traiga consigo mayores ahorros. Esto será posible una vez que se adquiera más experiencia teórica y práctica del método SPTL, y mediante un entendimiento adicional de la interacción terrenoestructura, particularmente con materiales compuestos tales como el refuerzo de fibras metálicas. Adicionalmente, la disponibilidad de mejores aditivos y equipos de shotcrete disminuirá los costos de los materiales de construcción y la duración del proyecto.
9.3
túneles de diámetros pequeños o túneles construidos en condiciones estables de suelos secos. El segundo es un proceso de aplicación de dos capas (véase la fig. 67), donde la primera capa de shotcrete aporta estabilidad al túnel, mientras que la segunda (actuando monolíticamente con la primera) aumenta la durabilidad y la estanqueidad de la estructura; se considera que este método es necesario para túneles de gran diámetro y múltiples juntas de construcción en la capa primaria, y para túneles construidos bajo el nivel freático. Para ambos sistemas es crítico reducir la cantidad del acero de refuerzo, bien sea mediante el reemplazo de fibras metálicas, o
Primera capa: shotcrete reforzado con fibras metálicas Segunda capa: concreto in situ o shotcrete reforzado con fibras metálicas Concreto in situ (reforzado, si es necesario)
La primera capa puede contener fortificaciones tales como spiles y pernos de anclaje.
Iluminación de techo Ra dio int ern o
Segunda capa sin juntas longitudinales (fuera de la conexión a la solera de concreto)
=5 ,34 5m
Sección transversal de un túnel de autopista de dos vías Segunda capa: revestimiento de concreto vaciado in situ o shotcrete
Primera capa: revestimiento de shotcrete
La segunda capa es instalada después de haberse estabilizado la primera Proyección con robot de todas las capas de shotcrete La solera es instalada antes que la segunda capa
La distancia entre la clave y la construcción del hastial/solera depende de la estabilidad de la clave o de la necesidad de reducir el asentamiento
Criterios de diseño para la segunda capa: 1. Estanqueidad 2. Durabilidad 3. Capacidad de soporte de carga (si se aplica)
Opciones de SPTL
Existen dos sistemas que pueden considerarse como métodos SPTL: el primero es un método de aplicación de una pasada, para 166
Secuencia de construcción: avance de clave-hastial-solera
Criterios de diseño para la primera capa: 1. Capacidad de soporte de carga 2. Durabilidad 3. Estanqueidad
Figura 67: Método SPTL de dos capas: sección transversal y longitudinal 167
bien mediante la optimización del perfil del túnel y espesor del revestimiento. En todo caso es importante maximizar la capacidad de construcción y minimizar la complejidad del proyecto, particularmente con un método que depende de la eficiencia del equipo humano de construcción.
• Aumentar el espesor del revestimiento del túnel para mantener la presión circunferencial en el tercio central de la sección de concreto. • Siempre que sea posible desde el punto de vista estructural, utilizar la opción más favorable de refuerzo de fibras metálicas.
La fig. 67 ilustra el método SPTL de dos capas y sugiere una secuencia de diseño para cada capa. La segunda capa debe instalarse cuando la primera se haya estabilizado y cuando no haya posibilidad de efectos adversos sobre las actividades de construcción al frente del túnel. En algunos casos podría ser aconsejable finalizar la construcción de la primera capa a lo largo de todo el túnel antes de colocar la segunda.
En caso de que se requiera instalar malla electrosoldada o varillas por razones estructurales, el diseño debe facilitar la instalación y la distribución uniforme. El refuerzo debe permitir un encapsulado completo con shotcrete y una instalación en pasos. Bajo ninguna circunstancia debe aplicarse shotcrete a través de parrillas de refuerzo.
9.5.2 9.4
Refuerzos de fibras metálicas
Geometría del túnel
Para minimizar el agrietamiento del revestimiento, el diseño debe ser tal que la presión circunferencial esté lo más cerca posible del centro de la sección del revestimiento. Esto permite mantener el esfuerzo del concreto del extremo cerca del promedio y movilizar la mayor parte de la capacidad de carga del revestimiento. La geometría del perfil del túnel es crucial para poder reducir los efectos adversos de los momentos flectores; en general debe adoptarse una geometría semicircular, especialmente para la sección de la clave del túnel. Los momentos flectores producidos por una solera plana pueden solventarse utilizando refuerzos de acero en una solera de concreto in situ.
9.5
Refuerzos del revestimiento
9.5.1
Varillas de refuerzo y mallas electrosoldadas Se ha observado que las entradas de agua están asociadas con secciones del revestimiento de shotcrete que contienen refuerzos de acero de gran diámetro (p. ej., cerchas, varillas de empalme de cerchas y exceso de solapamientos de malla electrosoldada). Por tales motivos, el diseño debe hacerse de forma que reduzca en lo posible la cantidad de refuerzo de acero. Para ello, es necesario: • Optimizar el perfil de la sección transversal del túnel para minimizar el momento flector. 168
Sin refuerzo
Con refuerzo de malla electrosoldada
Con refuerzo de fibras metálicas
Figura 68: Control de la fisuración mediante refuerzos de fibras metálicas El uso de refuerzos convencionales en el shotcrete (p. ej., malla electrosoldada o varillas de acero) para aumentar la resistencia a tracción de la estructura, puede llevar a una deficiente homogeneidad de elementos estructurales debido a las siguientes razones: 169
• Cuando se requieren varias capas para lograr encapsular el acero de refuerzo, tiende a reducir la resistencia de adherencia entre capas. • La corrosión del refuerzo de acero puede provocar fisuración y agrietamiento significantes del concreto debido a la expansión volumétrica. • El número de fisuras producidas por los refuerzos convencionales de acero tiende a disminuir, pero las fisuras son más anchas que las producidas en el concreto reforzado con fibras, lo cual disminuye la estanqueidad y la durabilidad, tal como se muestra en la fig. 68.
9.6
Fortificaciones
Los pernos de anclaje debieran considerarse como elementos de soporte permanente. Como se instalan en el terreno, podrían actuar como vías para el agua subterránea, y por tanto deben instalarse centrados en el agujero de perforación y totalmente encapsulados en mortero. Así se logran dos propósitos: primero, se reduce el riesgo de corrosión de los pernos, y segundo, se evita que el agua pase a la cara interna del revestimiento del túnel.
Perforación mediante aire o agua
Instalación del perno de anclaje hasta el fondo de la perforación
Figura 69: Fibras poliméricas En proyectos de construcción de túneles con shotcrete permanente se han utilizado exitosamente fibras metálicas para reducir el ancho de las fisuras hasta 0,2 mm. Como ventaja sobre los refuerzos antifisuramiento convencionales, las fibras se distribuyen en forma aleatoria y discontinua a través de todo el revestimiento de la estructura del túnel, permitiendo un refuerzo uniforme que redistribuye las cargas a tensión de forma uniforme, y produciendo una mayor cantidad de microfisuras de profundidad limitada distribuidas uniformemente, tal como se ilustra en la fig. 68. Asimismo, las fibras metálicas convierten el concreto frágil en un material de gran ductilidad, dándole al revestimiento una gran capacidad de carga después de la fisuración inicial mediante la redistribución efectiva de la carga. Todo esto aumenta la seguridad de la estructura durante la construcción. Las fibras poliméricas lanzadas recientemente al mercado tienen el beneficio adicional de su resistencia anticorrosiva, al mismo tiempo que ofrecen un desempeño similar al de las fibras metálicas (véase la fig. 69). 170
Retracción del cuerpo de perforación e inyección del cemento
Figura 70: Anclaje GSA para soporte permanente en suelo, particularmente en terrenos sueltos En la fig. 70 se muestra un ejemplo de un perno de anclaje permanente en donde se ilustra la secuencia de instalación del anclaje «GSA» desarrollado por la compañía Dr. Sauer. El sistema consiste en perforar un barreno e insertar el perno de anclaje en un paso; es especialmente ventajoso en casos de terrenos deficientes que previamente pudieron haber ocasionado el colapso de un barreno antes de instalarse el perno. Adicionalmente, el perno de anclaje queda completamente encapsulado en mortero a medida que éste desplaza el medio de lavado a aproximadamente medio metro del extremo del barreno. El perno de anclaje es centrado en el barreno mediante la varilla de perforación, optimizando así la protección anticorrosiva.
171
nuir significativamente el acceso de agua es reducir los refuerzos de acero del revestimiento de shotcrete. Todos los detalles del diseño requieren refuerzo de conexión desde el revestimiento de shotcrete de una secuencia de excavación a la otra, tal como la conexión del revestimiento de la clave al hastial. Por tal razón, para reducir la entrada de agua, el diseño debe minimizar el número de juntas en el perfil de revestimiento del túnel, y asimismo simplificar los detalles de conexión al máximo. Tal como puede observarse en la fig. 71, la mejor solución a este problema es el método de excavación de «clave, hastial-solera», con o sin una galería piloto inicial. Los métodos de pared provisional individual o doble son sumamente complejos en los detalles de conexión entre las paredes y el revestimiento del túnel principal; estas juntas contienen cerchas de la pared principal y temporal, además de un considerable refuerzo de conexión para proporcionar la calidad estructural requerida de todo el perfil, todo lo cual exacerba el problema de acceso del agua. En la fig. 71 se utilizan círculos negros para indicar una situación típica y el número de tales juntas.
En todos los sistemas de pernos de anclaje (pernos CT o similares), la mezcla del cemento debe estar diseñada para reducir la fisuración térmica y preferiblemente para ser tixotrópica, a fin de prevenir la socavación durante el fraguado inicial. Para lograr estas propiedades se recomienda utilizar aditivos tales como MEYCO® Fix Flowcable, que produce una resistencia media a la compresión a los 28 días superior a 70 MPa, sin cloruros, y prácticamente sin contracción o fisuración térmica.
9.7
Juntas de construcción relacionadas con la secuencia de excavación
Método de clave-hastial-solera
En el caso del método SPTL, en donde no es posible efectuar una secuencia de construcción «clave, hastial-solera» debido a factores de estabilidad del terreno, y en donde se requiere una subdivisión adicional del frente, se puede favorecer el método de agrandamiento del túnel piloto sobre los métodos de paredes provisionales.
Método de excavación con galería piloto
9.8
Método de «pared provisional individual» (dos secciones)
Método de «pared provisional doble» (tres secciones)
Juntas de construcción sencillas (primera capa): • Menor riesgo de entrada de agua • Estructuralmente seguro debido al proceso de construcción sencillo
Juntas de construcción complejas (primera capa): • Mayor riesgo de entrada de agua • Capacidad estructural reducida si se ejecuta incorrectamente
Figura 71: Tipos de juntas para los método de excavación de túneles revestidos con shotcrete (sólo se indican las juntas del revestimiento final) En la fig. 71 se ilustran las secuencias de excavación comunes adoptadas para la construcción de túneles revestidos con shotcrete. Tal como se dijo anteriormente, una manera fundamental de dismi172
Método SPTL de dos capas: juntas de construcción de la segunda capa
Tal como se discutió anteriormente, la segunda capa del método SPTL de dos capas es de shotcrete. El sistema no debe tener juntas longitudinales aparte de la conexión a la losa de concreto de la solera. El shotcrete puede ser aplicado en pasadas de 4 a 5 m de largo, ya que éste es el desplazamiento lateral típico de los brazos de proyección con robot (fig. 72). A fin de reducir la entrada potencial de agua hacia la superficie interna del túnel, se deben escalonar las juntas circunferenciales en los extremos por un mínimo de 0,5 m con relación a las juntas de construcción de la primera capa. Ya que una de las funciones principales de la segunda capa es la de producir una estructura impermeable, es posible aumentar la seguridad instalando juntas de estanqueidad o sistemas de sellado en las interfaces de las juntas.
173
Primera capa: shotcrete permanente reforzado con fibras metálicas Distancia típica entre cerchas = 1 a 2,5 m
Junta de construcción formada con tubo de grouteo reinyectable para sellar juntas
Juntas de construcción de la primera capa de shotcrete
Segunda capa: shotcrete permanente reforzado con fibras metálicas y de polipropileno
Juntas de construcción en la segunda capa: distancias típicas de 4 a 5 m. Las juntas de las segunda capa deben escalonarse con relación a las de la primera capa.
Capa de acabado: mortero o gunita
agua hacia la superficie interna del túnel con consiguiente reducción en durabilidad. La adherencia a cortante y a tensión entre las capas puede garantizarse procurando que la primera capa sea lo suficientemente rugosa como para proporcionar un buen anclaje (véase la fig. 73). Shotcrete reforzado con fibra metálica
Fuerzas de corte entre capas
Figura 72: Método SPTL de dos capas: segunda capa de shotcrete Para los revestimientos de shotcrete se requiere un sistema resistente. Una solución económica es utilizar el sistema Masterflex® 900 – Fuko, que consiste en un tubo de inyección de PVC fijado a una ranura semicircular formada en la superficie de la junta durante la construcción de la sección anterior mediante un saliente del encofrado. El tubo Fuko está perforado, y tiene cuatro tiras de neopreno que cubren las perforaciones a todo lo largo del tubo. Estas tiras de PVC funcionan como válvulas monodireccionales. Todo el tubo está unido a las tiras mediante una malla de nylon de red abierta, y puede entonces inyectarse, bien sea con resina de inyección Masterflex® 601 o microcemento Rheocem® en caso de que se produzca una entrada de agua durante la vida operativa del túnel. Se aconseja realizar el primer proceso de inyección un año después de finalizar la construcción del túnel, de manera que sea posible identificar cualquier trayectoria potencial de agua que pueda establecerse, y se designe las juntas respectivas para tratamiento, en vez de proceder con una inyección innecesaria de cobertura de todas las juntas. El sistema Fuko permite repetir las inyecciones durante la vida de la estructura (si se requiere). Es necesario colocar los tubos de inyección a un mínimo de 50 mm de la cara interior del revestimiento del túnel.
9.9
Método SPTL de dos capas: primera y segunda capa
Para proporcionar una estructura monolítica, es necesario que la adherencia entre la primera y la segunda capa de la unión esté ajustada a fricción y permita la transferencia de fuerzas de corte a lo largo de la unión. Debe evitarse instalar conectores de corte entre las dos capas, debido a que esto favorece la creación de trayectorias de 174
Concreto vaciado in situ o shotcrete reforzado con fibras metálicas Adherencia a fricción establecida por una primera capa con superficie irregular limpia, y una segunda capa con baja contracción
M Momento flector N Presión circunferencial
Figura 73: Estructura SPTL de dos capas: Las fuerzas a cortante actúan a lo largo de la interfaz de adherencia. Además, es importante preparar la superficie del revestimiento adecuadamente para recibir la capa nueva. Para ello deben seguirse los pasos siguientes: • Eliminar cualquier sección dañada o fracturada de la primera capa. • Limpiar con aire y agua a alta presión para arrancar el polvo, hollín y membrana de curado aplicada a la primera capa (para ello se recomienda utilizar el equipo de shotcrete). • Eliminar restos de grasa o aceite con un detergente. • Verificar que las superficies estén humedecidas (no saturadas) antes de instalar la segunda capa. La resistencia de adherencia también mejora si se utiliza un diseño de mezcla de concreto que reduzca la contracción térmica inicial y la contracción por secado, disminuyendo el calor de hidratación y usando un curado apropiado. Una vez que se haya logrado una buena adherencia, puede producirse el comportamiento monolítico de la primera a la segunda capa. El aditivo de curado interno MEYCO® TCC735 creado por MBT puede ayudar a lograr los requisitos antedichos. Este producto garantiza una hidratación de cemento eficiente y homogénea desde 175
Para lograr estos acabados superficiales, se recomienda inicialmente nivelar las secciones de pared de 4 m, y terminarlas con llana a mano. Para proporcionar los requisitos de alta reflectancia y colores claros, se recomienda aplicar una capa clara cementicia pigmentada (tal como Masterseal® 333), o un revestimiento epóxico (tal como Mastertop® 1211). Para las secciones del hastial, se puede nivelar la superficie y aplicarle un tratamiento de pintura similar con un pigmento negro.
el momento de la proyección, y a través de la capa lanzada o colada in situ. Este curado interno reduce sustancialmente la contracción inicial, aumenta la resistencia de adherencia y la densidad, lo cual mejora la adherencia a las capas previas. Como beneficio crucial al ciclo de trabajo, añadir MEYCO® TCC735 a la mezcla elimina la necesidad de aplicar y retirar agentes de curado previo a la instalación de la capa siguiente.
9.10
Acabado superficial
Luminaria
Según el papel previsto de la estructura del túnel, es posible proporcionar varios acabados superficiales con el método SPTL, desde un acabado de shotcrete hasta una superficie alisada con llana.
9.10.1
Nivelación y alisado con llana El acabado superficial de los revestimientos de shotcrete puede efectuarse mediante nivelación y alisado con llana, para lograr un acabado de calidad similar al de los revestimientos vaciados in situ. Este proceso se realiza en una capa de mortero proyectado aplicada a la capa de shotcrete final, con un espesor típico de 25 mm. Se pueden agregar fibras de polipropileno a la mezcla, para controlar la microfisuración de superficie producida por efectos de secado térmicos y superficiales (p. ej., mortero proyectable Emaco® S88-CA). El proceso de nivelación es relativamente sencillo de realizar utilizando niveladores de 25 mm de diámetro, doblados para reflejar el perfil acabado del túnel. Si es necesario, se puede mejorar el acabado aun más mediante un alisado con llana a mano. En la fig. 74 se muestra el ejemplo de un túnel de autopista. En este caso, las paredes del túnel deben tener un acabado liso, alta reflectancia y un color claro con una altura de hasta 4 m. Por encima de dicha zona, la clave del túnel debe estar diseñada con colores oscuros y baja reflectancia, lo cual ofrece los siguientes beneficios: • Se evita el efecto claustrofóbico de un tubo reflectivo y se facilita una apariencia rectangular visual, lo cual le da sensación de «ancho» al túnel. • Se reduce el consumo de energía por ventilación e iluminación. • Se esconden accesorios de servicio en el hastial del túnel. • Se facilita un límite para la máquina de limpieza y se disimulan aquellas superficies sucias que no han sido limpiadas. • Se mejora la distribución de la luz en la superficie de la carretera. 176
Punto de corte de la distribución de luz de los aparatos de la luminaria
Color más oscuro Reflectancia: 0,3 Ángulo de corte Reflectancia de pared: 0,6 (color claro regular)
Luz reflejada
Obstrucción
Acabado de la pared de alta reflectancia
Reflectancia de la superficie de la carretera: 0,15 a 0,3
Figura 74: Requisitos de reflectancia superficial para un túnel de autopistas de dos vías (Reino Unido)
9.10.2
Sistemas de revestimientos Como alternativa al método anterior de acabado superficial, se pueden instalar revestimientos en las paredes. Generalmente los sistemas de revestimientos para túneles están compuestos de placas de acero esmaltadas. Estos materiales son duraderos, resistentes a impactos, fáciles de limpiar, químicamente inertes y a prueba de incendios. Como ventaja particular, el esmaltado no es una capa, sino que está fusionado a la placa de acero, formando una superficie integrada resistente con un acabado de color resistente y duradero. Tales sistemas de revestimientos pueden ofrecer métodos de protección de los servicios de comunicaciones y eléctricos, y permiten aceptar un menor acabado superficial para los revestimientos de túneles mediante aplicación de shotcrete.
177
9.11
Durabilidad del shotcrete
En el capítulo 6 se explican detalladamente los factores que influyen en la durabilidad de las estructuras de shotcrete.
9.12
Recomendaciones para la construcción
9.12.1
Requisitos de aplicación
delaminación, sombras detrás del refuerzo de acero, fisuras por contracción y deficiencias de la microestructura. • El rebote de la fibra metálica debe ser menor que el 20 %, de forma de ofrecer un control de la fisuración y una calidad estructural eficaz, y por tanto mejorar la durabilidad del revestimiento del túnel. El brazo mecanizado de la máquina MEYCO® Robojet se mantiene paralelo a la superficie de shotcrete durante la proyección.
A fin de obtener un shotcrete duradero, y para garantizar que las propiedades del material satisfagan los requisitos del diseñador, el proceso de aplicación debe conformarse a los siguientes criterios: • El concreto debe ser de alta calidad, con una mínima variación de la misma.
Oscilador de boquilla automático para un acabado liso Giro de 360°
Figura 75: La proyección robotizada mejora la calidad del shotcrete. • El sistema debe tener una relación agua/cementante controlada y predefinida (inferior a 0,45), favoreciendo una menor contracción y alta resistencia a la compresión, y reduciendo la permeabilidad de forma significativa. • En la boquilla debe proyectarse un concreto homogéneo muy bien mezclado (incluyendo las fibras), libre de efectos de pulsaciones o de obstrucciones. • El rebote del agregado debe ser menor que el 10 %, para que el revestimiento del túnel quede con un material de granulometría apropiada. Así se logrará el efecto crítico de reducir defectos de 178
Figura 76: La proyección robotizada facilita la operación de la boquilla. • Se debe utilizar una unidad dosificadora automatizada del acelerante, que funcione a la par con la producción de concreto para facilitar una dosificación segura y uniforme. Las bombas dosificadoras deben ser capaces de distribuir suspensiones líquidas de acelerantes sin álcalis y no cáusticos. • Debe ser posible colocar capas gruesas de concreto (hasta 150 mm) en una pasada, para facilitar la homogeneidad de la estructura.
179
• Se debe procurar una operación que reduzca la producción de polvo para una mejor visibilidad a los trabajadores de la boquilla y mejor control de la proyección. • El sistema debe estar diseñado para reducir el riesgo de errores humanos que afecten negativamente la calidad del shotcrete. Por ejemplo, siempre que sea posible utilizar robots móviles de proyección (tales como el MEYCO® Robojet), los cuales permiten aplicar un shotcrete de calidad superior, con más seguridad y economía (véase también el cap. 10.4). • Es importante contar con un suministro continuo de shotcrete durante la excavación del túnel. Esto puede facilitarse utilizando el estabilizador Delvo®crete para controlar la hidratación del cemento. • En terrenos sueltos y con presencia de agua corriente, se debe adaptar el sistema a un shotcrete con características de fraguado instantáneo. • El método de aplicación del shotcrete debe permitir un curado eficaz del concreto, que no afecte negativamente la resistencia de adherencia entre capas subsiguientes, tal como con la incorporación del aditivo de curado interno MEYCO® TCC735. Vía húmeda: agregados, cemento, agua, estabilizador, superplastificante (y fibras)
Acelerante
Bomba de dosificación de acelerante integrada
Control de la dosificación del acelerante y volumen de aire en la bomba
Conducción de corriente densa Aire comprimido Acelerante Salida: 6 a 25 m3/h Rebote: Agregados 5 –10% Fibras metálicas 10 – 30%
Figura 77: Proceso por vía húmeda Dados los requisitos anteriores, para la construcción de revestimientos duraderos es muy recomendable utilizar únicamente el proceso de aplicación de shotcrete por vía húmeda (fig. 77). Actualmente el proceso por vía húmeda es el único método viable para obtener calidad, particularmente en cuanto al control de la relación aguacemento (algo crítico para la durabilidad del concreto y la resistencia a largo plazo). Adicionalmente, se ha demostrado que el proceso por
180
vía húmeda tiene ventajas económicas significativas sobre el proceso por vía seca.
9.12.2
Pautas de selección en sistemas modernos de aplicación Dados los requisitos especificados en la sección 9.12.1, se aconseja encarecidamente emplear únicamente procesos de vía humeda para el shotcrete utilizado en la construcción de revestimientos de túneles de una pasada, para así procurar buenas características de seguridad, calidad y productividad, lo cual llevará a revestimientos permanentes duraderos.
9.13
Sistemas de manejo de riesgo
Tal como ocurre en muchos problemas de ingeniería, el diseño de túneles está acompañado de muchas incertidumbres, especialmente cuando las estructuras dependen fuertemente de la construcción y de la calidad del material. Estas incertidumbres o «riesgos» (véase fig. 78) son las siguientes: • Incertidumbres geológicas: cambios imprevisibles de geología entre barrenos o características no identificadas durante la investigación del frente de avance. • Incertidumbres de la estructura o del revestimiento del túnel: entre éstas figuran el desarrollo inadecuado de resistencia inicial, el retraso en la instalación o defectos de la geometría del perfil. Con frecuencia, estos problemas se derivan de defectos del revestimiento de shotcrete debidos a fallas humanas. • Incertidumbres del tratamiento del terreno: éstas pueden deberse a la carga adicional impuesta por las operaciones de tratamiento del terreno, tales como grouteo de compensación (particularmente sobre secciones de shotcrete fresco). Estas medidas de tratamiento de suelos podrían ejercer una sobrecarga completa o incluso cargas mayores sobre los revestimientos del túnel. En consecuencia, es necesario garantizar el éxito del método SPTL, elaborando un sistema comprobado de manejo de riesgos durante la construcción, que aporte información al personal encargado del diseño, la construcción y la supervisión, permitiéndoles así tomar decisiones informadas que eviten en lo posible cualquier suceso no planeado. En la fig. 78 se nombra este proceso «control de construc181
ción», en donde se considera que los elementos siguientes son críticos. Control de construcción
Incertidumbres de diseño Condiciones geológicas
Características de la estructura
mación geológica y operaciones de construcción. Con respecto al control de la deformación, se deberán predeterminar niveles de seguridad de diseño que alerten sobre sucesos inesperados. En el caso de que se sobrepasen dichos umbrales, se deberán aplicar de inmediato los planes de contingencia preestablecidos. Dichos planes pueden abarcar desde revisar la secuencia de construcción del túnel o aumentar la frecuencia de control, hasta instalar apuntalamientos en toda la superficie del túnel. Todos los datos de control deberán entregarse al equipo de diseño para su análisis adicional, lo cual permitirá alterar las secuencias o labores de construcción sucesivas, o los requisitos de soporte.
Carga del tratamiento de suelos
Riesgo
Supervisión
Equipo de proyecto integrado
Adiestramiento
Capacitación
Control
Interpretación
Manejo Éxito del sistema SPTL
Figura 78: Modelo simplificado que ilustra cómo manejar los riesgos asociados con las incertidumbres del diseño mediante un control activo de la construcción. Es imperativo poner a cargo de la supervisión del proyecto a ingenieros competentes que hayan tenido experiencia previa en proyectos similares. Por ejemplo, una persona experimentada en construcción y diseño en construcción de túneles de segmentos prefabricados, no necesariamente conoce de construcción de túneles de shotcrete. Se requiere que el ingeniero: • entienda los fundamentos de diseño; • posea un conocimiento a fondo de construcción con shotcrete como sistema de soporte permanente; • conozca la tecnología moderna de concreto de altas prestaciones; • comprenda el comportamiento del terreno; • tenga la capacidad de interpretar resultados de deformación derivados del revestimiento del túnel y del control del terreno; • posea la capacidad crucial de explicar y hacer entender, a los miembros del equipo de construcción, los aspectos de seguridad críticos del diseño, calidad y control de construcción. Debe hacerse especial hincapié en establecer una buena comunicación entre todos los participantes en el proyecto y cualquier otra entidad afectada por la construcción del túnel, particularmente en lo que se refiere a la supervisión y evaluación de los resultados del control. Se recomienda realizar reuniones técnicas diarias con representantes de todas las entidades, con objeto de llevar a cabo revisiones de todos los resultados del control, propiedades del shotcrete, infor182
9.14
Aumento de la estanqueidad con membranas proyectables
Aunque el método SPTL se basa en un concreto hermético, se puede proporcionar aun más seguridad contra el acceso de agua si se utiliza una membrana hermética. Tradicionalmente se han utilizado membranas de láminas poliméricas para sistemas que han exhibido sensibilidad a la calidad de las juntas con sello térmico y a la geometría del túnel, particularmente en las juntas. Además, cuando se instalan membranas laminares con un revestimiento interno de shotcrete, pueden ocurrir los siguientes sucesos adversos: • Dado que las membranas laminares se fijan por puntos, es posible que los revestimientos interiores de shotcrete no estén directamente en contacto vía membrana-substrato. Esto puede conducir a cargas asimétricas del revestimiento del túnel. • Para facilitar la colocación del shotcrete sobre las membranas laminares, se utiliza una capa de malla electrosoldada. Nuevamente, dado que la membrana laminar se fija en puntos, frecuentemente la calidad del shotcrete entre la malla y la membrana laminar es inferior, lo cual puede afectar la durabilidad. • La resistencia de adherencia entre el revestimiento interior de shotcrete y la membrana laminar es inadecuada y puede traer como consecuencia la separación, especialmente en la clave del túnel. Para combatir estos problemas, MBT ha diseñado Masterseal® 340F, una membrana proyectable polimérica a base de agua que exhibe una excelente resistencia de adherencia (0,8 a 1,3 MPa) en ambas caras, por lo cual puede utilizarse en estructuras compuestas; también tiene una elasticidad de 80 a 140 % en una amplia gama de temperaturas. Como este material es una dispersión con 183
base acuosa y sin componentes peligrosos, puede manipularse sin peligro y aplicarse en espacios confinados. La ventaja de Masterseal® 340F es que puede aportar mucha más seguridad contra el acceso de agua cuando se emplea en las aplicaciones descritas en las próximas secciones.
9.14.1
cualquier carga hidrostática potencial a lo largo de la vida de la estructura.
9.14.2
Túneles SPTL con acceso activo de agua En la fig. 80 se muestra una solución que puede aplicarse para túneles SPTL con accesos activos de agua y altas cargas hidrostáticas. Este método permite eliminar el agua recogida por detrás de la membrana proyectable mediante un sistema de drenaje, típicamete instalado en los laterales del revestimiento del túnel.
Túneles de SPTL sujetos a filtraciones potenciales de agua Tal como se ve en la fig. 79, Masterseal® 340F puede utilizarse como un panel compuesto (construcción en «sandwich») para túneles de SPTL construidos sobre el nivel freático o en terrenos con baja permeabilidad.
Tal como se indica en la fig. 80, el sistema se compone de una capa geotextil sujeta con clavos Hilti al revestimiento de shotcrete estructural para controlar el acceso de agua y también para proporcionar una superficie seca para aplicar Masterseal® 340F. Todas las juntas geotextiles y fijaciones Hilti están cubiertas adecuadamente por la membrana Masterseal® 340F con un espesor de 3 a 5 mm. Para fines de protección, se aplica una capa no estructural final de shotcrete, cuyo espesor depende del tamaño del túnel; esta capa puede aportar resistencia contra incendios y se le puede dar un acabado superficial si así se requiere.
Detalle
Resistencia de adherencia: 1,1 MPa
Clavo Hilti a distancias de retícula de 1 m
Detalle
1.a capa de shotcrete permanente Membrana proyectable de Masterseal® 340F Capa protectora de shotcrete (no estructural)
2.a capa de shotcrete permanente
Figura 79: Aplicación de la membrana proyectable Masterseal® 340F entre capas de shotcrete permanente En estos casos se aplica Masterseal® 340F después de la primera capa de shotcrete permanente, en donde la superficie proyectada debe ser lo más regular posible para permitir la aplicación económica de una membrana de 5 a 8 mm de espesor. A continuación se puede aplicar una segunda capa de shotcrete permanente reforzado con fibras metálicas. Dado que la resistencia de adherencia entre Masterseal® 340F y las dos capas de shotcrete permanente es aproximadamente 1 MPa, la estructura puede tener un comportamiento monolítico, con una resistencia de la membrana proyectable hasta de 15 bar. Dado que en esta aplicación no se contempla drenaje de agua, la segunda capa de shotcrete debe diseñarse para resistir 184
Membrana proyectable Masterseal® 340F
Capa geotextil compuesta de: 1. Lana 2. Lámina plástica 3. Malla de drenaje plástica
Shotcrete permanente estructural
Figura 80: Aplicación de Masterseal® 340F en la superficie interna del revestimiento estructural, para casos de acceso activo de agua y altas cargas hidrostáticas
9.14.3
Rehabilitación de túneles En muchos casos se utilizan revestimientos de shotcrete para rehabilitar o mejorar estructuras subterráneas o de túneles. En tales 185
proyectos, Masterseal® 340F puede ofrecer una protección superior contra el acceso de agua, y por tanto aumentar la durabilidad del nuevo revestimiento.
Capítulo 10 Guía de aplicación del shotcrete
Capa de shotcrete permanente estructural
En este capítulo se describen las operaciones críticas necesarias para lograr un shotcrete de alta calidad una vez que se haya optimizado el diseño de la mezcla de shotcrete. Entre las operaciones descritas, una de las más importantes es la técnica de manipulación de la boquilla.
Membrana proyectable Masterseal® 340F Capa selladora de mortero proyectable
El advenimiento del método de proyección por vía húmeda ha promovido el uso de brazos de proyección robotizados, particularmente en proyectos de construcción de túneles, y por tanto también se discuten estos métodos. Por último se explica la necesidad de mejorar los niveles de capacitación de los operarios a fin de poder lograr los estrictos nuevos requisitos conducentes a obtener estructuras de shotcrete de alta calidad.
Estructura existente: ladrillo, mampostería, concreto, etc.
Figura 81: Masterseal® 340F aplicado a una estructura existente como un elemento de la obra de rehabilitación Tal como se ilustra en la fig. 81, se puede aplicar Masterseal® 340F a la estructura existente directamente, o junto con una capa reguladora de mortero proyectado o de shotcrete nivelado si es necesario. En secciones de túneles con presencia de acceso activo de agua, se aconseja aplicar el sistema de capa geotextil (descrito anteriormente), directamente a la estructura existente. Una vez que se ha aplicado Masterseal® 340F, puede instalarse la capa de shotcrete permanente reforzado con fibras metálicas, y dar el acabado superficial requerido.
10.1
Preparación del substrato
Previo a la aplicación del shotcrete, es necesario que el operario de la boquilla sepa las propiedades del revestimiento de shotcrete requeridas, tales como espesor y perfil. Debe además conocer cualquier elemento crítico de seguridad que requiera especial atención durante la proyección, p. ej., juntas de construcción complejas tales como las del método de construcción de pared lateral, según se indica en la fig. 82. Inmediatamente después de la excavación y antes de la aplicación del shotcrete, se deben tomar fotografías o hacer una evaluación geológica del terreno expuesto siguiendo los procedimientos del proyecto de construcción del túnel. Para que haya una adherencia eficaz del shotcrete al substrato, se debe preparar la superficie de adherencia humedeciéndola y limpiándola mediante escariación y aplicación de aire comprimido y agua de la boquilla. Igualmente se debe eliminar cualquier shotcrete remanente que esté flojamente adherido a la malla electrosoldada o a arcos metálicos.
186
187
Sin embargo, es recomendable controlar cualquier acceso de agua mediante técnicas de preinyección, sistemas de drenaje o tuberías de drenaje instaladas para atrapar y desviar el agua a fin de facilitar la proyección del shotcrete. Estas precauciones deben poder funcionar eficazmente durante un mínimo de 28 días después de la proyección. En la fig. 83 se muestra un ejemplo de una entrada de agua perjudicial.
Cercha de pared lateral Malla electrosoldada Chapa de cercha Barras en L Chapa de unión y pasador
Figura 83: Entrada de agua controlada mediante tuberías preinstaladas antes de la aplicación del shotcrete
Placas separadoras
Cercha de perfil principal
En cualquier aplicación de shotcrete es importante en todo momento utilizar equipos de protección personal, y disponer de condiciones apropiadas de ventilación e iluminación.
Barras de conexión en L T16
Chapa de unión entre cerchas
Malla electrosoldada
10.2
Figura 82: Método de pared lateral. Típicamente, la unión entre la pared temporal y un revestimiento principal está fuertemente reforzada (tal como se indica en el dibujo de la derecha). Esta junta requiere una buena compactación del shotcrete para garantizar la estabilidad del revestimiento una vez se construya el perfil completo. Cualquier entrada de agua al túnel afectará negativamente la calidad y la resistencia del shotcrete. Por lo general, un operario inexperto tratará de proyectar shotcrete sobre las entradas activas de agua utilizando dosis elevadas de acelerantes. 188
Técnicas de proyección generales
Es preciso considerar la hora de preparación e inspeccionar la trabajabilidad de la mezcla que llega a la bomba (proceso por vía húmeda). Todas las líneas que van desde la bomba hasta la boquilla deben estar bien fijas y totalmente lubricadas con grout. En caso de que haya retrasos de la operación, se deberán inspeccionar regularmente la trabajabilidad y el tiempo de preparación de la mezcla a fin de determinar si la misma está aún fresca y bombeable. En ninguna circunstancia se debe añadir agua a la mezcladora ni tampoco utilizar mezclas antiguas que se hayan hidratado. Por tal motivo, para 189
Menos rebote, más calidad
Deficiente
Razonable
Calidad del shotcrete
Cuando se emplean mezclas de shotcrete aceleradas, es esencial no aplicar shotcrete a la obra antes de comprobar que el shotcrete exhiba las características de fraguado adecuadas. Por lo general, dicha comprobación se hace proyectando el material directamente a la fachada del túnel hasta obtener el fraguado apropiado. Adicionalmente el operario de la boquilla hace los ajustes necesarios para obtener la presión de aire y el volumen correctos para la proyección específica.
10.3
Rebote (%)
cualquier proyecto se recomienda en todo momento utilizar aditivos para el control de la hidratación tales como el estabilizador Delvo®crete.
Buena
Un operario de boquilla experimentado entiende la necesidad de aplicar el shotcrete de una manera que minimice el riesgo de caída de bloques flojos del material hacia el área de trabajo del túnel, pero que al mismo tiempo evite el desprendimiento o incluso la caída del concreto de las secciones de la clave. Para cumplir con este objetivo, el operario debe primeramente rellenar todas las sobreexcavaciones y las zonas del substrato que tengan problemas como fisuras, fallas y zonas de grava. Este procedimiento debe realizarse lo más pronto posible después de la excavación a fin de procurar la seguridad de la obra. Seguidamente se procederá a la proyección del material comenzando por las secciones más bajas, con movimiento metódico ascendente hacia la clave. Puede ser aconsejable aumentar marginalmente la dosificación del acelerante (a fin de estimular ligeramente el endurecimiento del material), y aplicar numerosas capas delgadas en vez de aplicar el espesor completo en una sola pasada de la boquilla. En las secciones de la clave del túnel se debe aplicar una capa delgada de unos 50 mm para evitar el desprendimiento del revestimiento proyectado. Seguidamente se pueden aplicar capas sucesivas hasta un espesor de 150 mm. Para miembros estructurales gruesos, las capas subsiguientes de shotcrete pueden aplicarse únicamente después de que las anteriores se hayan endurecido lo suficiente; esto permite la continuidad del proceso de proyección en túneles de gran diámetro debido a las altas áreas superficiales y subsiguiente volumen de concreto aplicado. Es aconsejable aplicar secciones gruesas en una serie de capas, pero el número debe mantenerse a un mínimo cuando sea posible. Toda superficie que vaya a recibir una capa nueva debe estar húmeda y libre de materiales sueltos. 190
Excelente
0°
90°
1% 0.2 m Clave
Paredes laterales
0°
Ángulo entre la boquilla y el substrato
4 a 8%
+ 10%
Dosificación del acelerante sin álcalis
1–2m
+3m
Distancia de la boquilla al substrato
Clave
Área de aplicación en el túnel
Solera
Paredes laterales
Figura 84: Efecto de los principales parámetros de proyección sobre el rebote y la calidad del shotcrete El rebote producido durante la proyección es un factor determinante en la reducción de la calidad del shotcrete y en el aumento de los costos del revestimiento. Esto es particularmente evidente en la aplicación de shotcrete por vía seca, donde el operario de la boquilla controla la relación agua/cementante y es responsable por producir una mezcla eficaz del concreto entre la boquilla y el substrato. En esta sección se enumeran algunos pasos para reducir el rebote y mejorar la calidad. En la fig. 84 se ilustran algunos de los factores más importantes que influyen en el rebote originado durante la aplicación de shotcrete tanto por vía seca como por vía húmeda. Los valores indicados para las mezclas secas son conservadores. En la fig. 84 se supone un diseño optimizado de la mezcla (especialmente en lo que se refiere a la granulometría y a la relación agua/cementante) tal como se describe en el capítulo 3.
191
Los cuatro factores que influyen principalmente en la cantidad de rebote producido son: • Ángulo entre la boquilla y el substrato • Dosificación del acelerante • Distancia de la boquilla al substrato • Área de aplicación en el túnel
Ángulo de la boquilla a ia nc sta Di illa qu bo la
Figura 86: La distancia de la boquilla al substrato influye en el rebote y la compactación.
Figura 85: El ángulo de la boquilla tiene una marcada influencia en el rebote. Tal como se indica en la fig. 84, el factor más importante es el ángulo entre la boquilla y el substrato. Por ello, salvo los casos en que se requiera un encapsulado total de las cerchas y los refuerzos metálicos, es importante siempre mantener la boquilla en ángulo recto (90°) respecto a la superficie del substrato (fig. 85), a fin de optimizar la calidad de la compactación y la orientación de la fibra metálica (esta incidencia de ángulo recto no siempre es favorecida por los operarios de boquilla durante la proyección manual del shotcrete, debido a que el material tiende a devolverse directamente). Incluso los ángulos de proyección menores de 70° provocan rebotes excesivos y una compactación deficiente, lo cual lleva inevitablemente a resistencias menores y poca durabilidad del concreto. Sin embargo, los recientes desarrollos en brazos de proyección robotizados prácticamente han solventado este problema.
192
En la fig. 86 se indica que debe haber una distancia de 1 – 2 m entre la boquilla y el substrato. Si la distancia es menor, no será posible formar una capa en la superficie debido a que el chorro dispersará el material depositado; en caso de que sea necesario reducir la distancia, se debe disminuir la salida y mover la boquilla con más rapidez. Por otra parte, si se emplea una distancia muy grande (p. ej., 3 m), la fuerza del impacto será demasiado débil como para poder formarse una capa de concreto bien adherida y compactada, produciendo también una cantidad de rebote excesiva, compactación deficiente y baja resistencia del material. Las aplicaciones manuales tienden a disminuir la salida del aire para mantener la distancia correcta entre la boquilla y el substrato, lo cual a su vez disminuye la calidad del shotcrete. Tal como se muestra en la fig. 84, la dosificación de acelerantes puede afectar la cantidad de rebote. Una cantidad demasiado pequeña de acelerante no proporcionará un fraguado adecuado ni tampoco suficiente desarrollo de la resistencia, y por tanto la próxima pasada de la boquilla arrancará el concreto recién aplicado dado que sigue estando demasiado suave; aunque tal cosa no es estrictamente un «rebote», es necesario igualmente evitarlo en todo momento. 193
Por otra parte, si se utiliza demasiado acelerante (p. ej., más del 10 %), el fraguado instantáneo crea una superficie dura que ocasiona el rebote de las partículas grandes de agregado y evita una compactación completa, lo cual lleva a menor resistencia y durabilidad del revestimiento de shotcrete. Para aplicación en las secciones de clave de los túneles, se debe establecer una relación óptima de dosificación del acelerante a fin de lograr una eficaz rapidez de aplicación del material, con mínimo rebote y sin comprometer las propiedades requeridas del revestimiento de concreto fraguado. La nueva línea de acelerantes libres de álcali MEYCO® SA de MBT ofrece una amplia gama de valores de dosificación relativamente bajos que permiten una alta rapidez de aplicación del espesor además de un buen rendimiento del concreto a largo plazo.
irregular, provocando desvíos del chorro a distintos ángulos. En tales casos se aconseja trabajar con una capa inicial de shotcrete que actúe como un «colchón» para recibir el revestimiento de shotcrete estructural.
10.4
Proceso por vía húmeda y brazos de proyección robotizada
El brazo mecanizado de la máquina MEYCO® Robojet se mantiene paralelo a la superficie de shotcrete durante la proyección.
Otros factores que pueden influir en el grado de rebote (y por ende en la calidad del shotcrete) son: • Refuerzos de mallas electrosoldadas La malla debe fijarse firmemente al substrato antes de la proyección. La vibración de la malla puede aumentar considerablemente el rebote y causar «sombras» que reducen la capacidad estructural del revestimiento y la durabilidad a largo plazo. Siempre que sea posible, se aconseja utilizar mezclas con refuerzos de fibra para obtener más productividad, menos rebote, mejores propiedades estructurales y menores costos del proyecto en general. Un revestimiento de shotcrete compuesto por varas o parrillas metálicas debe instalarse de manera sistemática (capa por capa), y bajo ninguna circunstancia deberá aplicarse shotcrete a través de parrillas de refuerzo completas. • Volumen, presión y alimentación de aire Se debe emplear el volumen y la presión de aire especificados por el fabricante del equipo de aplicación del shotcrete. La bolsa de aire debe tener el tamaño definido para el sistema; las boquillas deben ser inspeccionadas para ver si hay desgaste (el desgaste podría afectar la salida del shotcrete). El diseño del sistema de turboinyección de aire-acelerante debe permitir una mezcla completa con la corriente de concreto denso en la boquilla. • Naturaleza del substrato La cantidad de rebote puede ser significativamente mayor en túneles de roca dura que en túneles de terreno blando. Esto se debe a que en los primeros, la superficie de contacto es dura e 194
Oscilador de boquilla automático para un acabado liso Giro de 360°
Figura 87: Brazo de proyección MEYCO® Robojet: distancia y ángulo correctos para lograr menos rebote y más calidad Muchos de los factores que originan los problemas de alto rebote, compactación deficiente y pérdida de rendimiento estructural (y por tanto, mayores costos del proyecto) están relacionados con la destreza del operario de la boquilla, particularmente en sistemas de proyección manual de mezclas secas.
195
Todos estos problemas se han reducido enormemente gracias a los aditivos modernos aplicados al shotcrete de vía húmeda, los cuales permiten un comportamiento plástico inicial de la mezcla. Durante algunos minutos después de la aplicación, el shotcrete nuevo puede ser absorbido y compactado con más facilidad que otros materiales de fraguado rápido. Así, se reduce rebote de manera significativa y se facilita el encapsulado del acero. Los problemas asociados al ángulo de la boquilla, distancia a la boquilla y obtención de una compactación adecuada utilizando la presión y el volumen adecuado de aire, se han reducido mediante el uso de brazos de proyección asistidos por computadora o «robotizados», especialmente en túneles de gran diámetro. Tal como se observa en la fig. 87, el brazo de proyección MEYCO® Robojet es controlado mediante una palanca de mando remota accionada por el operario para facilitar la proyección a la distancia y ángulo correctos en todo momento. Esto, junto con el volumen y presión requerida del aire, garantiza un rebote bajo y un shotcrete bien compactado. Además, se pueden obtener buenos acabados superficiales seleccionando el movimiento oscilatorio automático del modo «boquilla». Los nuevos avances en brazos de proyección robotizados facilitan aún más la tarea de establecer la distancia y el ángulo óptimo de la boquilla gracias al modo automático del equipo MEYCO® Robojet Logica, tal como se describe en el capítulo 7.2.1.1.
10.5
Destreza del operario
Los operarios de boquilla deben tener experiencia previa en la aplicación del shotcrete permanente, así como también conocer el proceso de aplicación de shotcrete a emplearse en el proyecto específico. Se recomienda que el operario demuestre su experiencia, bien sea presentando con anticipación el certificado de una obra anterior, o bien haciendo una demostración práctica en un lugar diferente al de la obra.
cual ha llevado a un mejoramiento de la calidad de aplicación en el mundo entero. La calidad de las estructuras de shotcrete depende fuertemente de la destreza humana durante la construcción, y por lo tanto el diseño debe reflejar esa dependencia considerando la «constructibilidad» con shotcrete de estas estructuras. Tal consideración en el diseño conduce a simplificar e incluso eliminar elementos críticos que puedan afectar la seguridad o la durabilidad, para facilitar la construcción de la obra. Además, el personal de diseño debe estar al tanto de las limitaciones de los procesos de construcción, y estar familiarizado con el probable rendimiento del material. Las especificaciones modernas del shotcrete tratan sobre los factores para lograr un diseño de mezcla moderno y de calidad controlada, suministrando una guía para facilitar la durabilidad y la ejecución eficaz de los procesos de proyección. Como ejemplo, la nueva Especificación Europea del Shotcrete (1996) emitida por EFNARC, describe sistemas completos para lograr un shotcrete permanente. Esta especificación ha servido como base para especificaciones de nuevos proyectos en el mundo entero y para la nueva norma europea del shotcrete (European Norm Sprayed Concrete Specification). La especificación de la EFNARC trata además de asuntos tales como capacitación, adiestramiento y acreditación de los operarios de la boquilla, y establece sistemas para contratistas y especificadores, de manera que adapten el sistema de shotcrete y el diseño de las mezclas para la obra particular. El Centro Internacional de Geotécnica y Construcción Subterránea (con sede en Suiza) ofrece un innovador servicio de adiestramiento y capacitación en la tecnología de shotcrete moderna. Entre los cursos ofrecidos figuran clases específicas para diseñadores y contratistas, y capacitación en proyección robotizada para operarios de boquilla.
Las normas vigentes imponen requisitos adicionales y exigen que el personal de aplicación tenga conocimiento de asuntos técnicos concretos, particularmente en el campo de shotcrete; por tal motivo ha mejorado la capacitación del personal de la obra, y consiguientemente, la calidad del trabajo. En los últimos años ha aumentado el número de contratistas especiales que trabajan con shotcrete, lo 196
197
Capítulo 11
En la fig. 88 se ilustra los ahorros potenciales para el contratista. Dichos ahorros son considerablemente superiores para el cliente (se adelanta el arranque del proyecto), y por tal motivo el cliente es el mayor afectado si no se emplean las condiciones óptimas.
Tiempo y economía
Húmedo/fibras Naß/Stahlfaser
Investitionskosten
11.1
Costo de inversión
Ejemplo de cálculo
Seco/malla Trocken/Stahlm
Materialkosten
Costo de materiales
Ya hemos hablado de las razones que justifican utilizar shotcrete reforzado con fibra metálica aplicado por vía húmeda. Cuando se hace una evaluación de los factores económicos, es fundamental no concentrarse en el costo de los componentes, equipos o de las mezclas de concreto. La experiencia nos ha demostrado que, una vez contemplados todos los costos, se pueden lograr ahorros substanciales del proyecto. Podemos ilustrar estas relaciones mediante un cálculo basados en costos reales de proyectos.
Rückprallkosten
Costo de rebote Sicherungskosten
Costo de soporte Einbauzeit
Tiempo de finalización 0 % 100 % 200 % 300 % 400 %
Tomemos como base un túnel de 60 m2, 2000 m de largo, excavación por perforación y voladura, longitud avance de 4 m, 100 mm de espesor teórico de shotcrete por avance. Nivel europeo de costos, cálculo en francos suizos. Rebote del método por vía seca: 30 %; rebote del método por vía húmeda: 10 %. En la fig. 88 se muestra un resumen de los costos. El costo de inversión es el valor de todo el sistema de equipos al comienzo de la construcción. El costo de materiales es equivalente al costo directo de todos los ingredientes del diseño de mezcla, incluyendo el acelerante agregado en la boquilla. El costo del rebote comprende la pérdida de materiales, el costo de proyección adicional para compensar el rebote y el costo de retirar el rebote. El costo de soporte equivale a todos los costos directos de la aplicación de shotcrete y refuerzo, sin incluir costos de margen fijo de infraestructura, administración, uso de otros equipos, participación de otros obreros, retrasos, etc. Si a esto se aplica el modesto monto de 400 francos suizos por turno-hora, el costo total del shotcrete por vía húmeda reforzado con fibras metálicas, se reduce a un 42 % del costo total del shotcrete por vía seca reforzado con malla de acero. La razón principal de esta reducción de costos tan notable se muestra en la fig. 88 (tiempo de finalización): para lograr el mismo volumen de soporte, el shotcrete por vía húmeda reforzado con fibras metálicas necesita únicamente el 17 % del tiempo utilizado para la proyección por vía seca con refuerzo de malla electrosoldada .
198
Figura 88: Comparación entre el material por vía húmeda y refuerzo de fibras, y el material por vía seca y refuerzo de malla electrosoldada
11.2
Conclusiones
La tecnología de shotcrete por vía húmeda ha alcanzado una etapa de desarrollo que permite producir shotcrete duradero de alta calidad para aplicaciones de soporte permanente. Además, el uso de fibras metálicas ofrece ventajas técnicas adicionales cuando se requiere utilizar refuerzos. En la mayoría de los casos, el uso de shotcrete por vía húmeda reforzado con fibras metálicas como soporte permanente ofrece ventajas significativas. Debe asegurarse que el método de diseño permita este soporte permanente. Otras ventajas importantes – logística sumamente flexible, seguridad laboral y buenas condiciones ambientales – complementan el conjunto de razones que favorecen la tecnología de shotcrete por vía húmeda. No se trata de un experimento... ¡los resultados están comprobados y a la vista!
199
Capítulo 12 Aplicaciones futuras del shotcrete Hoy en día el shotcrete es utilizado mayormente para aplicaciones de soporte de rocas (en las que soluciona muchos problemas difíciles), y se ha convertido en una ayuda necesaria. Su uso como fortificación en la construcción de túneles está aumentando cada vez más en el ámbito mundial. En Europa solamente, se utiliza un volumen total de 3 millones de metros cúbicos al año. Creemos que esta tendencia continuará en los años venideros. Los puntos siguientes resumen las prácticas y tendencias internacionales: La tecnología de shotcrete aplicado por vía húmeda ha llegado a un estado de desarrollo que permite la producción de shotcrete duradero de alta calidad para aplicaciones de soporte permanente. Es posible obtener aún más ventajas técnicas cuando se requiere refuerzo y se añade fibra metálica. El potencial de ahorros de tiempo y costos en la aplicación de shotcrete de vía húmeda reforzado con fibra metálica como soporte permanente es significativo en la mayoría de los casos, y extraordinario en ciertas situaciones. Otras ventajas importantes tales como la altísima flexibilidad de logística y las excelentes condiciones de seguridad del ambiente y del trabajo complementan la variedad de razones que favorecen el uso de la tecnología de shotcrete por vía húmeda. Ya no se trata de un experimento: los resultados están comprobados y a la vista.
• La aplicación predominante es todavía como soporte temporal, pero cada vez hay más interés en utilizar shotcrete de alta calidad para revestimientos finales permanentes. Asimismo, durante los últimos años se ha introducido el uso de shotcrete por vía húmeda en la industria minera, una industria de grandes proporciones y complejidad, que por una parte impone rigurosas normas de seguridad para proteger a los mineros, y por otra requiere alta productividad para recuperar los costos de extracción de minerales a grandes profundidades. Las aplicaciones mineras imponen muchas demandas difíciles sobre el shotcrete y su aplicación, tales como restricciones de logística y de temperatura, las cuales pueden solventarse utilizando los últimos avances en aditivos y equipos. Como método de construcción, el shotcrete debería tener un campo de aplicación mucho más amplio. Sin embargo, hasta la fecha el grado de utilización del mismo es desafortunadamente bastante limitado. Una de las ventajas del shotcrete es su flexibilidad y rapidez de aplicación: el concreto puede colocarse sencillamente con una manguera contra superficies de encofrado, roca o concreto. Toda clase de variación arquitectónica y de construcción es posile. El único límite es la imaginación y el deseo de experimentar. Todos los contratistas, arquitectos, autoridades y consultores deben estar conscientes de que la tecnología, conocimientos, equipos y materiales son ya una realidad y que pueden aprovecharse para aumentar la gama de proyectos de construcción. Sin duda, el método de construcción del futuro es el shotcrete.
• La aplicación de shotcrete por vía húmeda sobrepasa la aplicación por vía seca (tendencia que sigue en aumento). • Si bien todavía se utiliza más refuerzo de malla electrosoldada, la proporción de shotcrete reforzado con fibras metálicas sigue en aumento. • La tecnología se dirige hacia sistemas mecanizados, automatizados y con más capacidad. • Se está haciendo mayor énfasis en regulaciones más estrictas con respecto a la seguridad, higiene y ambiente laboral.
200
201
Referencias Allen, Ch., «Controlled Hydration Shotcrete Mixes for Infrastructure Projects», inf. de conferencia. The Role of Concrete, Concrete Institute of Australia, Sydney, mayo de 1993. Annett, M. y Varley, N.J., «High performance sprayed concrete in London clay». Proceedings Second International Symposium on sprayed concrete for underground support, Gol, Noruega, septiembre de 1996. Barton, N., en «Sprayed Concrete – Properties, Design and Application», ed. por S. Austin y P. Robins, Londres, 1995, capítulo 8.
Melbye, T., «New Advanced Shotcrete Admixtures», Sprayed Concrete Conference 1993, Brunel University, Londres, Reino Unido, septiembre de 1993. Norwegian Concrete Association – Committee Sprayed Concrete. Technical Specification and Guidelines: Sprayed concrete for rock support. Opsahl O.A., «Steel Fibre Reinforced Shotcrete for Rock Support», BML-Report 82.205, Division of Building Materials, The Norwegian Institute of Technology, Trondheim, septiembre de 1983. Ramachandran, V.S., «Concrete Admixtures Handbook», Noyes Publications, 1984, págs. 116 –172.
Drs J., Informe interno: Aluminate based accelerators. EFNARC, Specification for sprayed concrete. 1996.
Testor, M., «Vergleich umweltneutraler Spritzbetontechnologien im Baustellenversuch». Final report from the Institut für Baustofflehre und Materialprüfung, University of Innsbruck, 1996.
Garshol K., Noruega, Practical use of sprayed concrete in rock support. Holmgren, J., Bergförstärkning med sprutbetong, Järfälla, Suecia, 1992. Kinney, F.D., «Reuse of Returned Concrete» by Hydration Control: Characterisation of a New Concept: – Proceedings Third International Conference, Superplasticisers and Other Chemical Admixtures in Concrete, Ottawa, Canadá, 1989. Krebs C., Informe interno: Equipment for sprayed concrete, MEYCO Equipment (Master Builders Technologies). Master Builders Technologies, «Technical Report 128, Delvo System», Cleveland, EE.UU., 1988. Master Builders Technologies, «MEYCO Journal No. 1», Zurich, Suiza, julio de 1991. Master Builders Technologies, «MEYCO Journal No. 2», Zurich, Suiza, diciembre de 1991. Melbye, T., «Neue Generation von Zusatzmitteln für Spritzbeton», Spritzbeton Technologie 1993, Universität Innsbruck, Austria, enero de 1993. 202
203
Apéndice
Especificaciones particulares para el shotcrete
elaborado por Nick Swannell Ingeniero Senior de túneles Halcrow Asia Partnership Ltd y Tom A. Melbye Director MBT International Underground Construction Group
204
205
Índice Introducción
209
Glosario de términos
210
Concreto base Cemento Aglomerantes hidráulicos latentes Agregados Agua Fibras
213 213 214 214 216 216
Aditivos General Acelerantes Plastificantes y retardadores de fraguado Aditivos para el control de la hidratación
218 218 218 220 220
Requisitos particulares Equipos Requisitos de desempeño Requisitos particulares de mezcla Otros requisitos particulares
222 222 222 222 222
Equipos General Método por vía húmeda Proceso por vía seca Dosificación automática Proyección a control remoto
225 225 226 226 227 227
Ensayos de aceptación y ensayos en obra General Desarrollo del diseño de la mezcla Ensayos en obra Certificación de los operarios
229 229 229 229 232
Producción y transporte Dosificación y mezclado Transporte
234 234 235
207
Aplicación Aplicación del shotcrete Control del espesor y del perfil Curado
236 236 238 239
Ensayos en la obra General Ensayo de resistencia a la compresión Pruebas de resistencia a flexión y de grado de resistencia residual Ensayo de adherencia Ensayo de durabilidad/permeabilidad Densidad seca, absorción en ebullición y volumen de vacíos Contenido de fibra Ensayo de fibras Ensayo de trabajabilidad Falta de conformidad con los criterios establecidos
240 240 241 242 243 243 244 244 245 245 245
Métodos de ensayo General Exudación del cemento Ensayo de acelerantes Disminución de resistencia Ensayo con mortero (sin acelerante, mezcla de mortero básica) Ensayo de fibras Ensayo de durabilidad/permeabilidad Ensayo de resistencia de adherencia
247 247 247 247 250 250 250 251 251
Referencias y normas particulares
253
208
Introducción Este apéndice contiene la más avanzada y completa especificación para todas las aplicaciones de shotcrete (tanto sobre la superficie como subterráneas), salvo trabajos de reparación. Debe seguirse totalmente a menos que se especifique lo contrario. En conformidad con las prácticas modernas, en esta especificación particular no se incluye el refuerzo de malla. Se deben utilizar refuerzos de fibra metálica y polimérica, a menos que se considere apropiado utilizar shotcrete sin refuerzos para una aplicación dada. Se consideran tres tipos de shotcrete (las definiciones se encuentran en el «Glosario de términos»), a saber: • Shotcrete tipo S1: Shotcrete reforzado con fibra para uso temporal o a corto plazo, incluso como soporte del terreno inmediato • Shotcrete tipo S2: Shotcrete reforzado con fibra para aplicaciones permanentes • Shotcrete tipo S3: Shotcrete sin refuerzo para aplicaciones permanentes Esta especificación particular requiere utilizar equipos de proyección por vía húmeda para el shotcrete tipo S2 y S3, en conformidad con las prácticas modernas. No obstante, para el shotcrete tipo S1 pueden utilizarse equipos por vía húmeda o por vía seca.
209
Párrafo 1
Glosario de términos Shotcrete Mezcla formada por cemento, agregados con tamaño máximo de 8 mm y agua; puede también contener aditivos. Dicha mezcla es proyectada neumáticamente a alta velocidad a través de una boquilla, para producir una masa homogénea densa.
Shotcrete sin reforzar Shotcrete que no contiene refuerzos (malla electrosoldada, varillas de armaduras o fibras).
Shotcrete reforzado con fibra metálica (SFRS) Shotcrete al cual se le agregan fibras metálicas durante la dosificación, el mezclado o durante el proceso de aplicación, según corresponda.
Shotcrete tipo S1 Shotcrete reforzado con fibra metálica, aplicado como soporte inicial en tierra pero que no está diseñado para sostener cargas permanentes. La resistencia característica del shotcrete tipo S1 a los 28 días es 45 MPa.
Shotcrete tipo S2 Shotcrete reforzado con fibra metálica, aplicado como un revestimiento permanente para sostener cargas permanentes. La resistencia característica del shotcrete tipo S2 a los 28 días es 35 MPa.
Shotcrete tipo S3 Shotcrete sin refuerzo, aplicado como capa de alisado o protectora sobre el shotcrete tipo S1 o la roca, o como un acabado superficial sobre el shotcrete tipo S2, según se requiera. La resistencia característica del shotcrete tipo S3 a los 28 días es 30 MPa.
Proceso por vía seca Proceso de producción de shotcrete en el cual se prepara una mezcla de cemento, agregados y aditivos diferentes a acelerantes (si se requiere). Los 210
ingredientes son dosificados por peso y mezclados en condición seca. La mezcla se alimenta a una maquinaria, en donde es presurizada, y transportada neumáticamente por mangueras o tuberías hasta una boquilla, en donde se le agrega agua y se le añade un acelerante antes de ser proyectada al substrato sin interrupción.
Método por vía húmeda Proceso de producción de shotcrete en el cual se prepara una mezcla de cemento y agregados dosificados por peso. A la mezcla se le agregan agua y aditivos diferentes a acelerantes (si se requiere). La mezcla es bombeada por mangueras hacia una boquilla, en donde se le inyecta aire comprimido y un acelerante (si es necesario) antes de ser proyectada sin interrupción en forma continua.
Capa Espesor de shotcrete (fraguado) formado por varias pasadas de la boquilla.
Rebote Material que después de proyección por la boquilla no se adhiere a la superficie de aplicación.
Concreto base Concreto de un diseño particular para uso en shotcrete, pero sin aditivos.
Aditivos Materiales agregados al concreto base (p. ej., acelerantes, plastificantes, retardadores de fraguado y aditivos para el control de la hidratación).
Cemento Aglomerante hidráulico activo que se obtiene por pulverización de un clínquer y que cumple con los requisitos de los requisitos para los grados BS 12, BS 6588, BS 4027 o BS 1370 según sea apropiado.
Cemento compuesto Aglomerante hidráulico, fabricado mediante un proceso controlado en el cual se combina un clínquer de cemento Portland o cemento en proporcio-
211
nes especificadas con un aglomerante hidráulico latente compuesto de cenizas volantes. Cumple con los requisitos del grado BS6588.
Concreto con microsílice Concreto manufacturado en la mezcladora de concreto combinando cemento Portland que cumple con los requisitos para los grados BS12 o BS4027 y un aglomerante hidráulico latente de microsílice (humo de sílice compactado).
Índice de actividad de la microsílice Relación en porcentaje entre la resistencia a compresión de cubos estándar de mortero (preparados con 90 % de cemento más 10 % de microsílice en masa), y la resistencia a compresión de cubos estándar de mortero (hechos exclusivamente de cemento) (Ref.: Norma noruega NS3045).
Resistencia a compresión en cubos Resistencia a la compresión de probetas cúbicas fabricadas, curadas y ensayadas siguiendo la norma BS 1881: Partes 1, 3 y 4.
Resistencia característica a los 28 días Valor de resistencia a compresión en cubos a los 28 días. Se prevé que el 5 % de todas las medidas de resistencia posibles caiga por debajo de este valor. (Las resistencias características incluidas en esta especificación particular se dan únicamente para fines del desarrollo del diseño de la mezcla y para información de los ingenieros de diseño.)
Resistencia a compresión en cubos in situ Resistencia teórica de shotcrete en una localidad individual, considerada como la resistencia de un cubo de shotcrete tal como existe en la estructura. (Las resistencias a compresión en cubos [in situ] incluidas en esta especificación particular se dan para los requisitos de cumplimiento.)
212
Concreto base Cemento Párrafo 2 Además de los siguientes requisitos particulares, el cemento o cemento compuesto debe cumplir con los requisitos para los grados BS12, BS6588, BS4027 o BS1370 según corresponda, y con las «Especificaciones de materiales y trabajos» del concreto: a) Tiempo de inicio del fraguado: no menos de 60 minutos para un grado de resistencia 42.5 y no menos de 45 minutos para un grado de resistencia 52.5, ni más de cuatro horas, cuando se ensaye conforme a BS EN 196: Parte 3. b) Fineza: la superficie específica no debe ser inferior a 350 m2/kg ni superior a 450 m2/kg, cuando se ensaye conforme a BS EN196: Parte 6. Los límites de los resultados de muestras de ensayo individuales no deben exceder 40 m2/kg. c) Exudación: el volumen de agua expulsada no debe ser superior a 20 cm3 cuando se determine conforme al Párrafo 151. Según los requisitos para el grado BS12, el cemento debe ser Portland, grado de resistencia 42.5 o grado de resistencia 52.5, y debe cumplir con los siguientes criterios: Grado de resistencia 42.5: Valores de resistencia a compresión medidos según BS EN196: Parte 1: – después de 2 días : >10 MPa – después de 28 días (28 días ± 4 h) : >42,5 MPa y <62,5 MPa Grado de resistencia 52.5: Fineza controlada, >350 m2/kg y < 450 m2/kg. Valores de resistencia a compresión medidos según BS EN196: Parte 1: – después de 2 días : >20 MPa – después de 28 días (28 días ± 4 h) : >52,5 MPa y <72,5 MPa e) La temperatura del cemento en el momento a utilizarse en la planta de mezclado no debe ser mayor de +50°C. f) El contratista debe demostrar, mediante ensayos en el sitio de la obra, que el cemento es compatible con los aditivos acelerantes propuestos, sujeto a la aprobación del ingeniero, con referencia particular al uso de acelerantes sin álcalis no cáusticos.
213
Párrafo 3 La microsílice (humo de sílice compactado) debe cumplir con los siguientes requisitos: a) Polvo seco – Contenido de sílice (SiO2) no menor del 85 %. – La microsílice no debe contener más de 0,2 % de metal sílice en masa, ni materiales perjudiciales tales como cuarzo, óxidos o fibras de celulosa. – Tamaño de partícula: entre 0,1 µm y 0,2 µm. – Fineza: El área superficial específica no debe ser menor que 15 000 m2/kg. – Contenido de álcalis totales como Na2O equivalente <2 %. – Contenido de carbono: <2%. – Índice de actividad: >95 % después de 28 días – Contenido de humedad: <3 % – S03 (agua soluble): <1 % b) Lechada de microsílice/agua – Valor de pH: 5,5 ±1,0. – Densidad relativa: entre 1,3 g/cm3 y 1,4 g/cm3. c) Realizar ensayos mensuales para establecer el cumplimiento con a) y b). d) Almacenamiento y manejo: las pastas de microsílice/agua deben agita se periódicamente mediante bombas de circulación antes de su uso. e) Establecer la compatibilidad de la microsílice y los aditivos líquidos mediante uno de los dos métodos siguientes: – verificación de los datos de ensayos anteriores o de la experiencia práctica, o – realización de los procedimientos apropiados de ensayos acelerados, según la aprobación del ingeniero. f) Determinar el contenido óptimo de microsílice durante los ensayos en obra, y el mismo debe cumplir con esta especificación particular Párrafo 44).
Párrafo 5 A menos que el ingeniero especifique lo contrario, el tamaño nominal de partícula debe ser 8 mm. Párrafo 6 El diez por ciento de finos debe ser superior a 100 kN según lo determina el método especificado en BS812: Parte 3:1990. Párrafo 7 Los agregados de un tamaño deben combinarse en las proporciones determinadas durante los ensayos en obra. Las fracciones individuales deben almacenarse por separado. Párrafo 8 Los agregados gruesos y finos deben estar limpios. La granulometría debe estar dentro de los límites aceptables, y siempre que sea posible, dentro de los límites especificados en la curva de granulometría que se muestra en la fig. A.1. Tamiz ISO 0,125 0.125 0,25 0.25
0,50.5
1,01.0
2,02.0
4,04.0
8,08.0
16,0 16.0
32,0 32.0
64,0 64.0
0 0 10 10 20 20 30 30
Porcentaje retenido
Aglomerantes hidráulicos latentes
40 40 50 50 60 60 70 70 80 80 90 90 100100
0,149 0.149
0,297 0.297
0,595 0.595
1,19 1.19
2,38 2.38
4,76 4.76
9,51 9.51
19,0 19.0
38,1 38.1
76,1 76.1
Tamiz ASTM, tamaño en mm
Agregados
Figura A.1: Curva de granulometría recomendada para agregados de shotcrete
Párrafo 4 Además de los requisitos de esta especificación particular, los agregados del shotcrete deben cumplir con BS882 y con las «Especificaciones de materiales y trabajos» del concreto.
214
Párrafo 9 La fracción de grava del agregado no debe estar excesivamente fragmentada al llegar a la obra. No debe haber más de 3 % de partículas con tamaños menores que 0,075 mm (determinado según el método de lavado y tamizado de BS812: Parte 103.1:1985). 215
Párrafo 10 Determinar la reactividad del agregado con cementantes y aditivos (incluyendo acelerantes) mediante el método ASTMC1260 (test de Vicat). Párrafo 11 Diariamente, el contratista debe inspeccionar y anotar la granulometría y el contenido de humedad de las fracciones individuales del agregado. Párrafo 12 Para el shotcrete de mezcla seca, el contenido de humedad natural del agregado debe ser lo más uniforme posible y no exceder el 6 %.
Párrafo 18 Seleccionar el tipo de fibra basado en su cumplimiento con esta especificación particular, y en su idoneidad y facilidad de uso en los procesos propuestos de dosificación, mezcla y proyección, según lo demuestren los ensayos en obra (sujeto a la aprobación del ingeniero). Párrafo 19 No emplear fibras que tiendan a formar bolas durante la dosificación y la mezcla.
Agua Párrafo 13 El agua debe cumplir con las «Especificaciones de materiales y trabajos en concreto».
Fibras Párrafo 14 Utilizar fibras metálicas deformadas tipo 1, 2 ó 3 según ASTM A820-96, (las fibras tipo 1 pueden tener sección circular o rectangular). Las fibras deben estar fabricadas de acero dúctil o alambre estirado en frío sin galvanizar. Párrafo 15 Las fibras pueden estar separadas individualmente o unidas mediante una cola soluble en agua. Párrafo 16 Almacenar las fibras en recipientes sellados (secos) hasta el momento de utilizarse. Las fibras no deben exhibir corrosión, ni tener aceite, grasa, cloruros ni otras sustancias perjudiciales que puedan reducir la eficiencia de los procesos de mezcla o proyección, o que puedan reducir la adherencia entre las fibras y el shotcrete. Párrafo 17 Las fibras deben tener una relación diámetro/largo de 30 a 150 para longitudes de 12,7 a 63,5 mm. Las tolerancias deben cumplir con la norma ASTM A820-96.
216
217
Aditivos
Párrafo 28 No emplear water glass (silicatos sódicos), salvo en el caso de bases poliméricas modificadas aprobadas por el ingeniero.
General Párrafo 20 Además de cumplir con los requisitos de esta especificación particular, los aditivos deben también cumplir con las «Especificaciones de materiales y trabajos en concreto». Párrafo 21 No utilizar, sin la aprobación escrita del ingeniero, aditivos cuyos propósitos no estén indicados por las «Especificaciones de materiales y trabajos» o por esta especificación particular. Se le exigirá al contratista suministrar la documentación que respalde el uso de dichos materiales. Párrafo 22 Los aditivos deben estar libres de cloruros (menos de 0,1 % en peso). Párrafo 23 Antes de comenzar la proyección, acordar con el fabricante de los aditivos los valores característicos y la consistencia requerida. Párrafo 24 Seguir las recomendaciones de almacenamiento y uso de los aditivos. Párrafo 25 Antes de comenzar los ensayos en obra, el contratista debe obtener del fabricante una confirmación por escrito referente a la estabilidad de los aditivos con el agua de mezclado. Párrafo 26 La cola soluble en agua y otros aditivos utilizados para combinar fibras metálicas deben ser compatibles con otros componentes del shotcrete. Antes de comenzar los trabajos de proyección permanente, el contratista debe suministrarle al ingeniero una confirmación por escrito al respecto.
Acelerantes Párrafo 27 Utilizar únicamente acelerantes líquidos.
218
Párrafo 29 Sólo debe permitirse la mínima cantidad necesaria de acelerante para las operaciones de proyección normales. Determinar la cantidad mediante ensayos en obra, sujeto a dosificaciones máximas de:
Shotcrete tipo S1: Shotcrete tipo S2: Shotcrete tipo S3:
Acelerantes sin álcalis y no cáusticos 10% 8% 8%
Acelerantes agresivos 8% 3% 3%
(porcentaje de peso por aglomerante)
Párrafo 30 Antes de comenzar la proyección, realizar oportunamente los ensayos de los acelerantes para determinar la aceleración del fraguado, el desarrollo de resistencia inicial y la disminución de la resistencia a etapas posteriores (28 y 90 días) (según esta especificación particular). Párrafo 31 Llevar a cabo ensayos de laboratorio de las clases seleccionadas de acelerantes libres de álcalis, según esta especificación particular en dosificaciones de 4,0 u 8,0 % en peso de cementante en el concreto base, o dosificaciones similares según lo recomiende el fabricante, a fin de establecer la variabilidad de las propiedades ante mencionadas respecto a la dosificación. No se permite el uso de acelerantes que exhiban una variabilidad excesiva en la dosificación. Párrafo 32 Seleccionar acelerantes que, en la dosificación elegida para la obra, minimicen la disminución de resistencia para cualquier tipo de shotcrete a los 28 días, en comparación con el concreto base sin acelerantes. Dicha disminución debe estar aprobada por el ingeniero, y en ninguna circunstancia debe ser mayor del 30 %. Verificar el cumplimiento de esta cláusula mediante ensayos en obra sujetos a la aprobación del ingeniero. Párrafo 33 Según esta especificación particular, cada dos meses (como mínimo) se deben efectuar ensayos a los acelerantes que lleguen a la obra, a fin de determinar su reacción con el cemento utilizado, con referencia particular al comportamiento de fraguado y a la disminución de resistencia al cabo de 219
28 días. A intervalos de tiempo similares, inspeccionar visualmente la estabilidad de los acelerantes durante el almacenamiento. Seguir las recomendaciones del fabricante respecto a los tiempos de almacenamiento y a los límites de la temperatura de trabajo, así como también sus instrucciones de seguridad.
Plastificantes y retardadores de fraguado Párrafo 34 Los plastificantes y retardadores de fraguado deben cumplir con la norma BS5075: Parte 1, y podrían utilizarse en shotcrete tipos S1, S2 y S3, según las «Especificaciones de materiales y trabajos en concreto» y sujeto a la aprobación del ingeniero. Párrafo 35 Se pueden utilizar plastificantes y retardadores de fraguado para reducir la cantidad de agua de mezcla y mejorar la capacidad de bombeo del concreto. Mediante ensayos en obra, determinar los efectos y las dosificaciones óptimas de plastificantes y retardadores de fraguado según esta especificación particular.
Párrafo 39 Se pueden utilizar aditivos para el control de la hidratación para controlar la hidratación de la mezcla, según sea apropiado para acelerar la construcción de la obra. Mediante ensayos en obra, determinar los efectos y las dosificaciones óptimas de aditivos para el control de la hidratación, según esta especificación particular. Párrafo 40 Verificar la compatibilidad de los aditivos para el control de la hidratación con los cementos, aglomerantes hidráulicos y acelerantes. Efectuar tal verificación mediante ensayos en obra. Párrafo 41 Seguir las instrucciones del fabricante de los aditivos para el control de la hidratación, con atención particular que garantice una mezcla adecuada cuando se utilicen en el proceso por vía seca.
Párrafo 36 Los plastificantes y retardadores de fraguado deben ser inspeccionados periódicamente o según lo determine el ingeniero, para determinar el tiempo de fraguado, la reducción de agua y el desarrollo de resistencia en comparación con el concreto base. Párrafo 37 Verificar la compatibilidad de plastificantes y retardadores de fraguado con los cementos, aglomerantes hidráulicos y acelerantes. Efectuar tal verificación mediante ensayos en obra.
Aditivos para el control de la hidratación Párrafo 38 Se pueden utilizar aditivos para el control de la hidratación en shotcrete tipo S1, S2, y S3 según esta especificación particular y sujeto a la aprobación del ingeniero. Los aditivos para el control de la hidratación utilizados en shotcrete tipo S2 y S3 deben estar libres de constituyentes químicos que provoquen una disminución de la resistencia con el paso del tiempo, diferente a lo especificado en el Párrafo 32 de esta especificación particular.
220
221
Requisitos particulares
Tabla A.1: Requisitos mínimos de desempeño del shotcrete Parámetro
Método de ensayo/ Párrafo n.°
Equipos
Shotcrete tipo S1
Shotcrete tipo S2
Shotcrete tipo S3
Resistencia a compresión (cubos) in situ****
Párrafo 42 El shotcrete puede aplicarse bien sea por vía húmeda como por vía seca, según los requisitos de esta especificación particular, Párrafo 48.
Ensayos en obra
Ensayos en la obra
Requisitos de desempeño
1 día
BS EN 12504-1:2000
8 MPa
**
**
7 días*
“
21 MPa
20 MPa
**
28 días
“
35 MPa
28 MPa
25 MPa
1 día
“
8 MPa
**
**
7 días*
“
21 MPa
20 MPa
**
28 días
“
35 MPa
28 MPa
25 MPa
EFNARC (1996), Sección 10.3
4,2 MPa
3,6 MPa
**
4,2 MPa
3,6 MPa
**
Resistencia a la flexión
Párrafo 43 En la tabla A.1 se muestran los requisitos mínimos de desempeño.
Ensayos en obra
28 días
Ensayos en la obra
28 días
Grado de resistencia residual
Requisitos particulares de mezcla Párrafo 44 En la tabla A.2 se muestran los requisitos particulares de mezcla que deben cumplir los diseños de mezcla según esta especificación particular (véase el Párrafo 71).
Otros requisitos particulares Párrafo 45 El shotcrete debe poder aplicarse en capas de espesores hasta de 100 – 150 mm con buena adherencia al terreno o a capas previas de shotcrete, sin descolgarse.
Ensayos en obra
28 días
Ensayos en la obra
28 días
EFNARC (1996) Sección 10.3
Grado 3
Párrafo 47 El shotcrete tipo S2 no debe desarrollar fisuras de contracción plástica o de contracción por secado que tengan un ancho mayor de 0,05 mm. Determinar este requisito mediante las técnicas de inspección y medición apropiadas sujetas a la aprobación del ingeniero y, efectuadas en áreas de proyección mayores que 10 m x 10 m aplicadas en obra, según esta especificación particular.
222
Grado 3
Grado 1
**
Resistencia de adherencia a la roca***
Párrafos 160 166
0,5 MPa
0,5 MPa
**
Prueba de durabilidad/ permeabilidad (penetración máxima)
Párrafos 157 159
**
30 mm
**
Densidad seca 28 días (todas las pruebas a los 28 días)
ASTM C642-97
2275 kg/m3
2275 kg/m3
2275 kg/m3
Absorción en ebullición 7 días (todas las pruebas a los 7 días)
ASTM C642-97
Máx. 9%
Máx. 8%
**
Volumen de vacíos 7 días (todas las pruebas a los 7 días)
ASTM C642-97
Máx. 19%
Máx. 17%
**
Tiempo de fraguado inicio
BS EN 196-3
final
Párrafo 46 El shotcrete debe ser denso y homogéneo, sin segregación de agregados ni fibras, ni otras imperfecciones visibles.
Grado de deformación normal Grado 1 **
9 minutos
**
**
60 minutos
**
**
* = Pruebas utilizadas únicamente con propósitos indicativos ** = No medido *** = Este requisito no se aplica cuando el tipo de roca no permita adherencia después de una limpieza adecuada y a la satisfacción del ingeniero. **** = Los requisitos suponen que las pruebas se efectuarán en núcleos perforados según los Párrafos 77 a) y b) o Párrafo 125, es decir, razón altura/diámetro 1:1, y contemplan un factor de reducción (0,85) por la extracción in situ. Véanse también los Párrafos 84 ó 129.
223
Equipos
Tabla A.2: Requisitos particulares de la mezcla Parámetro
Shotcrete tipo S1
Shotcrete tipo S2
Shotcrete tipo S3
Contenido de cementante
Cemento Portland Clase 42.5 o 52.5N (o cemento compuesto con cenizas volantes) y microsílice
Cemento Portland Clase 42.5 o 52.5N y microsílice
Cemento Portland Clase 42.5 o 52.5N y microsílice
400 kg/m3
400 kg/m3
400 kg/m3
Contenido cementante mínimo* Máxima relación agua**/cementante Contenido de microsílice
0,5
0,45
0,45
5–10% (4–8% cuando se combina con cemento compuesto con cenizas volantes)
5–10%
5–10%
Fibras: Mínima resistencia a tracción
>800 MPa
>800 MPa
***
Mínima longitud
25 mm
25 mm
***
Máxima longitud
40 mm
40 mm
***
Contenido mínimo*
40 kg/m3
40 kg/m3
***
*
= En la obra
**
= El agua incluye el contenido líquido de los aditivos líquidos.
*** = No se utiliza
General Párrafo 48 El shotcrete tipo S2 y S3 debe aplicarse únicamente por vía húmeda. El tipo S1 puede también aplicarse por vía seca. Párrafo 49 Todos los equipos utilizados para la Dosificación y mezclado de materiales y para la aplicación de todas las clases de shotcrete, deben estar aprobados por el ingeniero, y deben mantenerse en perfecto funcionamiento durante los trabajos de excavación y revestimiento. El ingeniero deberá recibir la información detallada completa de todos los equipos a utilizarse al menos 4 semanas antes de la fecha de comienzo de los ensayos en obra. Debe verificarse que la boquilla de proyección y los equipos auxiliares tengan la capacidad adecuada para los volúmenes de aplicación. Es necesario disponer de un sistema de reserva consistente en planta y equipos auxiliares durante las operaciones de excavación. El aire comprimido para los equipos debe estar limpio, seco y libre de aceite, y tener la presión de operación y volúmenes especificados por el fabricante. Párrafo 50 Los equipos de proyección deben tener la capacidad de alimentar materiales a la velocidad regular, y de proyectar las mezclas de shotcrete desde la boquilla a velocidades que permitan la adherencia de los materiales a la superficie de proyección, con mínimo rebote y máxima adherencia y densidad. Párrafo 51 Los equipos deben estar a prueba de fugas. Párrafo 52 Los equipos deberán limpiarse a fondo al menos una vez por turno (o a otros intervalos apropiados en caso de que se utilicen aditivos para el control de la hidratación), con el objeto de prevenir acumulaciones de residuos. Párrafo 53 Las tuberías o mangueras de transporte deben colocarse en línea recta o en curvas muy suaves. Deben tener un diámetro uniforme apropiado para las características de la mezcla y las fibras (determinadas mediante los
224
225
ensayos en obra) y estar libres de dobleces o muescas entre el equipo de proyección y la boquilla. Párrafo 54 Los equipos deben permitir la aplicación de shotcrete a todas las superficies, con la boquilla colocada a las distancias desde las superficies que cumplan esta especificación particular. Párrafo 55 Durante la operación de proyección, las áreas de trabajo deben estar bien iluminadas según la aprobación del ingeniero. Las lámparas montadas en los cascos de seguridad no constituyen suficiente iluminación. Minimizar la contaminación de polvo utilizando equipos apropiados y ventilación adicional, rociado de agua, y mediante el buen mantenimiento de los equipos. Todos los operarios deben utilizar ropa protectora y caretas antipolvo.
Método por vía húmeda Párrafo 56 Configurar los equipos para el método por vía húmeda siguiendo las recomendaciones del fabricante. Párrafo 57 Garantizar el bombeo continuo del concreto base con una mínima pulsación. Párrafo 58 Los equipos deben permitir el uso de cualquier combinación de aire y agua para efectos de preparación de las superficies o limpieza del trabajo terminado, según esta especificación particular.
Proceso por vía seca Párrafo 59 Los equipos para el proceso por vía seca (véase el Párrafo 48) deben configurarse siguiendo las recomendaciones del fabricante. Párrafo 60 El diseño de los equipos para el proceso por vía seca debe permitir aplicar el shotcrete sin crear polvo en una cantidad que supere al creado por un método por vía húmeda equivalente. Tal cosa debe quedar demostrada mediante ensayos en obra a la satisfacción del ingeniero. 226
Párrafo 61 La boquilla debe permitir un control total y continuo de la cantidad de agua a agregarse, así como garantizar un mezclado eficaz de todos los ingredientes del shotcrete.
Dosificación automática Párrafo 62 No se permite la dosificación manual de los aditivos. Párrafo 63 Cada máquina a utilizarse para el método por vía húmeda debe incorporar: a) Un sistema de control de memoria programable para coordinar y controlar todas las funciones del equipo, incluso la dosificación de todos los aditivos. El sistema debe poder imprimir registros completos de todas las cantidades de mezcla y producción de concreto. b) Una unidad integrada que bombee aditivos a las dosificaciones requeridas bajo el control de la producción de concreto; los equipos deben poder suministrar las dosificaciones aprobadas de aditivos a una exactitud de ±0,5 % de la dosificación requerida, y deben calibrarse y operarse de acuerdo con las instrucciones del fabricante. Párrafo 64 Los equipos para el proceso por vía seca (véase el Párrafo 48) deberán incorporar bombas de dosificación que suministren aditivos líquidos al agua con una exactitud de ±1 % de la dosificación requerida, y deben calibrarse y operarse de acuerdo con las instrucciones del fabricante.
Proyección a control remoto Párrafo 65 La proyección del shotcrete debiera hacerse con equipos de control remoto apropiados para aplicaciones particulares. No debe permitirse la aplicación manual del shotcrete proyectado por vía húmeda salvo en circunstancias especiales, sujeto a la aprobación del ingeniero. Párrafo 66 Los equipos de proyección a control remoto deben tener el mayor alcance posible y permitir al operario observar la boquilla en todo momento durante la proyección desde un lugar seguro, y asimismo ofrecerle un control completo y eficaz de la articulación y otras funciones de la boquilla.
227
Párrafo 67 Utilizar, limpiar y mantener los equipos según las instrucciones del fabricante.
Ensayos de aceptación y ensayos en obra General Párrafo 68 Leer las cláusulas siguientes junto con los requisitos de esta especificación particular (véase el Párrafo 87, «Certificación de los operarios»). Párrafo 69 Los ensayos en obra deben comenzar lo antes posible para garantizar el desarrollo de las mezclas de shotcrete requeridas y la culminación satisfactoria de todas las pruebas para el momento de comienzo de la proyección de cada tipo de shotcrete. No comenzar la proyección de ningún tipo de shotcrete antes de finalizar todas las pruebas específicas y de que todos los resultados de laboratorio estén aprobados por el ingeniero. Párrafo 70 Para los ensayos en obra: utilizar los equipos y materiales definitivos de la obra.
Desarrollo del diseño de la mezcla Párrafo 71 El contratista debe desarrollar el diseño de la mezcla de cada tipo de shotcrete que se utilizará en todas las etapas: a) Producción de un concreto base adecuado b) Producción de shotcrete a partir del concreto base El valor de la resistencia media prevista del concreto base debe ser 1,25 veces el de la resistencia característica a los 28 días para el shotcrete, más un margen de 12 MPa aplicado a la figura resultante.
Ensayos en obra Párrafo 72 Para cada tipo de shotcrete a utilizar, el contratista deberá diseñar una mezcla de prueba y prepararla con los materiales constituyentes en las proporciones propuestas para uso en la obra. Los procedimientos de mues-
228
229
treo y de ensayo deben seguir las normas BS1881 y BS EN 12504: Parte 1:2000. Utilizar una mezcladora limpia y desechar la primera mezcla. Párrafo 73 Un operario experimentado debe preparar suficientes paneles de prueba utilizando la mezcla de prueba. Cada panel debe tener un tamaño mínimo de 1000 x 1000 mm y espesor mínimo de 200 mm. Los paneles deben prepararse para proyección en moldes verticales (¡no en clave!). Los moldes deben estar hechos de acero u otros materiales rígidos que no absorban agua, y con paredes a 45 grados hacia el exterior para prevenir el atrape del rebote. El shotcrete en los paneles debe adherirse bien al fondo del panel y estar bien compactado; no debe exhibir derrame. Párrafo 74 Para el método por vía húmeda, determinar los valores de trabajabilidad previstos. Párrafo 75 No mover los paneles durante 18 horas después de la proyección, y dejarlos reposando a una temperatura de +20°C ±5°C, cubiertos con una lámina de polietileno hasta el momento en que se corten los testigos. Las probetas para los ensayos de resistencia a la compresión de 1, 7 y 28 días deben obtenerse de los paneles de 1 día. Las probetas para los ensayos de resistencias a los 7 y 28 días deben almacenarse en agua según la norma BS1881: Parte 111. Párrafo 76 Las probetas para las pruebas de permeabilidad deben tener 1 día y deben envolverse en un plástico que sea impermeable al agua y al vapor, para su almacenamiento hasta su ensayo a los 28 días. Párrafo 77 Las probetas de ensayo cilíndricas deben ser obtenidas de cada panel de prueba y ensayadas tal como se describe a continuación. El perforado y las dimensiones de las probetas de ensayo deben seguir la norma BS EN 12504: Parte 1:2000 y el «Concrete Society Technical Report No. 11». El perforado de las probetas debe hacerse en áreas alejadas de posibles rebotes. No utilizar probetas del mismo panel para ensayos en probetas de la misma edad; sin embargo, se pueden utilizar probetas del mismo panel para ensayos a edades diferentes (p. ej., a 1, 7 o 28 días). Es necesario tener al menos una probeta de repuesto para cada ensayo. Los requisitos de ensayo son los siguientes:
230
a) Resistencia a compresión en la dirección de la proyección después de 1, 7 y 28 días (4 probetas por ensayo). Las probetas deben tener un diámetro de 100 mm y longitud de 100 mm. b) Resistencia a compresión en la dirección perpendicular a la proyección después de 1, 7 y 28 días (4 probetas por ensayo). Las probetas deben obtenerse de diferentes paneles, y tener un diámetro de 100 mm y largo de 100 mm. c) Permeabilidad al agua en la dirección de la proyección (4 probetas después de 28 días según esta especificación particular) (Párrafos 157 – 159). Las probetas deben obtenerse de diferentes paneles, y tener un diámetro de 150 mm y largo de 120 mm. Párrafo 78 Un operario experimentado deberá preparar, de cada mezcla de prueba, suficientes vigas para realizar los ensayos de resistencia a flexión y tenacidad según EFNARC (1996), Sección 10.3. Párrafo 79 Un operario experimentado deberá preparar una o varias áreas de shotcrete aplicado a la roca, para la prueba de resistencia de adherencia. La situación de tales áreas debe estar sujeta a la aprobación del ingeniero. Párrafo 80 Cada cilindro o viga de prueba deberán estar marcados con una marca de referencia apropiada, además de la fecha y hora de proyección. Párrafo 81 Los ensayos deben hacerse siguiendo los métodos siguientes: Ensayo Resistencia a compresión Permeabilidad Resistencia a la flexión Valor de resistencia residual Resistencia de adherencia
Método de ensayo BS EN 12504: Parte 1:2000 Ensayo de penetración de agua (Párrafos 157–159) véase la tabla A.1 véase la tabla A.1 véanse los Párrafos 160–166
Párrafo 82 Controlar los tiempos de fraguado durante las pruebas según BS EN 196: Parte 3:1995. Párrafo 83 Determinar el contenido óptimo de fibra según la facilidad de uso en los procesos propuestos de dosificación, mezcla y proyección, y a partir de los 231
resultados de las pruebas para determinar la resistencia a flexión y el grado de resistencia residual (según especificación). Párrafo 84 La resistencia a compresión de probetas de shotcrete obtenidas de paneles de prueba debe ser aceptable, si la resistencia a compresión de las muestras tanto con sus ejes paralelos como con sus ejes perpendiculares a la dirección de proyección satisfacen los requisitos siguientes: a) La resistencia promedio determinada en las 4 probetas en una prueba particular excede la resistencia a compresión (cubos) in situ característica especificada en al menos: 2,0 MPa (resistencia a 1 día) 3,0 MPa (resistencia a 7 y 28 días) b) Cualquier resistencia individual no debe ser menor que la resistencia a compresión (cubos) in situ característica especificada en más de: 2,0 MPa (resistencia a 1 día) 3,0 MPa (resistencia a 7 y 28 días)
certificados expedidos por el contratista, o documentos escritos de prueba de trabajos previos satisfactorios que indiquen cumplimiento con Pautas para el Shotcrete de EFNARC (1999) o las normas ACI 506.3R-91 o similares, sujeto a la aprobación del ingeniero.
La resistencia a compresión de cilindros debe suponerse como la resistencia a compresión de cubos siempre que se cumplan los requisitos de los Párrafos 77 a) y b). Párrafo 85 El contratista debe llevar a cabo otras pruebas durante el período de ensayos en obra según sea necesario o según lo especifique el ingeniero, a fin de confirmar que las muestras y métodos propuestos satisfagan los requisitos de desempeño mínimos de esta especificación particular (véase la tabla A.1). Párrafo 86 Repetir los ensayos en obra en caso de cambios en la fuente o en la calidad de cualquiera de los materiales o de las proporciones de la mezcla durante la realización de la obra.
Certificación de los operarios Párrafo 87 Los operarios deberán tener experiencia previa en la aplicación de shotcrete, o deberán trabajar bajo la supervisión inmediata de un capataz o instructor que tenga tal experiencia. El shotcrete de producción debe ser aplicado únicamente por operarios que hayan demostrado conocimiento y experiencia colocando shotcrete reforzado con fibra metálica, cumpliendo con todo lo establecido en esta especificación particular. Asimismo, deben presentar 232
233
Producción y transporte Dosificación y mezclado Párrafo 88 Los componentes individuales para la producción de shotcrete deben medirse por peso con un dispositivo de dosificación automática, salvo los aditivos que pueden medirse por volumen. La exactitud de dosificación debe estar entre ±3 % para todos los componentes. Pesar la microsílice por separado. Los métodos de dosificación utilizados deben permitir un control fácil de su exactitud. Todos los equipos de medición deben mantenerse limpios y en buen funcionamiento, deben ajustarse a cero diariamente y calibrarse mensualmente. Párrafo 89 El mezclado debe llevarse a cabo en un mezclador apropiado que facilite una mezcla eficaz y la descarga de materiales de dosificación en seco o en húmedo según sea apropiado. Párrafo 90 Efectuar inspecciones regulares para garantizar siempre un mezclado completo. Los ensayos para determinar la consistencia de la mezcla deben cumplir con la norma ASTM C94 o con otras normas internacionales similares aprobadas. Párrafo 91 Las fibras deben añadirse en una etapa del mezclado adecuada para el equipo de proyección. Determinar el procedimiento para la adición de fibras durante los ensayos en obra. Las fibras deben agregarse y mezclarse de una manera que evite que formen bolas o se doblen. Las bolas de fibras en la mezcla deben eliminarse mediante una rejilla colocada sobre la tolva de el equipo de proyección. Las fibras deben distribuirse uniformemente en toda la matriz del mortero, sin concentraciones aisladas. No deben agregarse a la mezcla a mayor velocidad que la que les permita mezclarse con los otros ingredientes, evitando así la formación de dichas bolas.
Párrafo 93 El tiempo de mezclado para el proceso por vía seca debe ser suficiente para producir un mezclado completo, y debe ser de 1 minuto como mínimo. La mezcla debe transportarse mediante los equipos apropiados, evitando la segregación. Párrafo 94 Los materiales mezclados para el proceso por vía seca pueden utilizarse en un tiempo hasta de hora y media después de agregar el cemento, siempre que el shotcrete pueda aplicarse satisfactoriamente. Después de ese tiempo, deberá desecharse cualquier material no utilizado. Sin embargo, este período puede extenderse mediante el uso de aditivos para el control de la hidratación, según se utilicen de acuerdo con esta especificación particular.
Transporte Párrafo 95 Para el shotcrete producido por el proceso por vía seca, la mezcla seca puede transportarse en camiones mezcladores o contenedores sin agitación. La mezcla seca debe estar bien protegida contra la intemperie. Párrafo 96 Para el shotcrete producido por el método por vía húmeda, el concreto base debe transportarse en camiones mezcladores o bombas de concreto. El remezclado del material debe llevarse a cabo únicamente con la aprobación del ingeniero. La mezcla seca debe estar bien protegida contra la intemperie.
Párrafo 92 El concreto base mezclado para el método por vía húmeda debe aplicarse antes de hora y media de haber sido fabricado. Sin embargo, este período puede extenderse mediante el uso de retardadores de fraguado, plastificantes o aditivos para el control de la hidratación, según se utilicen de acuerdo con esta especificación particular.
234
235
Aplicación
Párrafo 101 Dependiendo del espesor final requerido, la aplicación de shotcrete reforzado con fibra metálica puede efectuarse en dos etapas a fin de reducir el rebote a un mínimo, siendo la primera fase una capa de 50 mm.
Aplicación del shotcrete Párrafo 97 La aplicación de shotcrete a una superficie de roca o de shotcrete existente no debe hacerse sin la aprobación previa por escrito del ingeniero. El contratista debe entregar al ingeniero un aviso por escrito acerca de sus planes de aplicación de shotcrete salvo por razones de seguridad de la obra, en cuyo caso se deberán reportar las circunstancias del problema al ingeniero. Párrafo 98 Antes de aplicar el shotcrete, llevar a cabo las siguientes tareas: inspección y corrección del perfil de la sección transversal excavada; y limpieza de las superficies rocosas o de shotcrete existente (o ambas) con aire comprimido (y hasta donde lo permitan las condiciones locales, con una mezcla de aire-agua) según sea necesario para eliminar todo el material que pueda impedir la buena adherencia del shotcrete a la superficie. La superficie debe estar humedecida pero sin agua que fluya previo a la aplicación del shotcrete. Asimismo, poco antes de aplicar el shotcrete debe llevarse a cabo un tratamiento con una mezcla de aire-agua para garantizar que la superficie esté suficientemente limpia y humedecida. Párrafo 99 Tomar medidas para controlar las aguas subterráneas y evitar que las mismas afecten el revestimiento de shotcrete. Las medidas que se adopten deberán someterse a la aprobación del ingeniero y permanecer vigentes durante un mínimo de 28 días. Las entradas de agua que podrían ocasionar el deterioro del shotcrete o impedir su adherencia, deben desviarse según lo señalen los planos, o – de acuerdo con la propuesta del contratista – mediante canales, barbacanas u otras técnicas apropiadas a través de la solera o del sistema de drenaje de las aguas subterráneas. Párrafo 100 La aplicación del shotcrete debe estar a cargo únicamente de un operario certificado bajo esta especificación particular (véase el Párrafo 87). La distancia entre la boquilla y la superficie de proyección no debe ser mayor de 1,5 m con el método por vía húmeda y 2,0 m con el proceso por vía seca. Como regla general, deberá mantenerse la boquilla perpendicular a la superficie de aplicación salvo los casos en que se requiera garantizar una incrustación adecuada de la estructura metálica (p. ej., cerchas), o se especifique lo contrario bien sea por planos como por otros medios.
236
Párrafo 102 Cada capa de shotcrete debe aplicarse mediante varias pasadas de la boquilla sobre el área de trabajo, haciendo uso de buenas prácticas de trabajo y de una eficaz manipulación de la boquilla. El shotcrete debe salir de la boquilla en forma de un flujo uniforme e ininterrumpido. En caso de que dicha uniformidad comenzara a fallar por cualquier motivo, el operario deberá dirigirlo hacia fuera de la superficie de trabajo hasta que se resuelva el problema. Párrafo 103 Siempre que se vaya a cubrir una capa de shotcrete mediante capas sucesivas, permitir que la capa endurezca y eliminar cualquier material suelto y rebote. Inspeccionar la superficie para comprobar que esté en buen estado y reparada según las especificaciones, limpiando y humedeciendo finalmente con agua o aire comprimido. Párrafo 104 No cubrir el material de rebote con shotcrete. Todo material de rebote debe eliminarse del área de trabajo y no volver a utilizarse. Para desecharlo, seguir las especificaciones establecidas en el contrato teniendo presente los riesgos de contaminación ambiental. Párrafo 105 Para superficies verticales o semiverticales, la aplicación debe comenzar desde abajo. El espesor de la capa debe basarse principalmente por el requisito de que no haya descolgamientos del material. Cuando se apliquen capas gruesas, la superficie debe mantenerse con una pendiente aproximada de 45 grados. Para superficies en clave, debe aplicarse el shotcrete preferiblemente desde el hastial hasta la clave. Párrafo 106 Eliminar defectos tales como bolsones, desprendimientos u otros, y volver a repetir la proyección de la superficie. El área de repetición de la proyección no debe ser menor que 300 mm x 300 mm. Párrafo 107 Evitar acabados tales como alisado con llana o cepillo que puedan requerir acciones correctivas.
237
Párrafo 108 La temperatura de la mezcla antes de la proyección no puede ser menor de +5°C o mayor de +35°C, salvo estipulaciones especiales sujetas a la aprobación del ingeniero. No se debe efectuar la proyección cuando la temperatura ambiente es menor de +5°C.
Control del espesor y del perfil Párrafo 109 Cuando así se especifique en los planos, controlar el espesor mínimo de capa mediante marcadores de control plásticos fluorescentes, empujados dentro de un revestimiento de shotcrete inicial. Los marcadores de control del espesor deben utilizarse con una frecuencia mínima de un marcador por 2 m2 de área lanzada, y en general deberán localizarse en puntos de máximo saliente de la superficie excavada en la cavidad del túnel. Los marcadores de control del espesor deben retirarse del shotcrete inmediatamente después de la proyección, a fin de dejar agujeros pequeños abiertos a través del espesor del shotcrete, como un alivio de presión permanente. El contratista deberá someter a la aprobación del ingeniero una propuesta detallada referente al tipo, material y método de uso de los marcadores de control del espesor. Párrafo 110 Las cerchas u otras estructuras metálicas deben estar sumergidas en un mínimo de 30 mm de shotcrete tipo S1. Párrafo 111 El shotcrete tipo S1 puede seguir el contorno de la superficie rocosa, con un alisado apropiado de bordes y esquinas, siempre que los bloques salientes de roca buena que aún formen parte de la masa rocosa tengan un revestimiento mínimo de shotcrete de 2/3 del espesor especificado. Párrafo 112 El contratista debe comprobar el espesor de cualquier capa de shotcrete perforando barrenos de 25 mm de diámetro, en cualquier posición y momento requeridos por el ingeniero. El contratista debe suministrar al ingeniero todo lo necesario para permitir la inspección de los agujeros de sondeo (estos pueden dejarse abiertos según lo apruebe el ingeniero).
todas las regulaciones sanitarias y de seguridad correspondientes, y deben utilizarse de acuerdo con las instrucciones de sus fabricantes.
Curado Párrafo 114 Todo shotcrete debe ser curado adecuadamente mediante métodos y materiales sujetos a la aprobación del ingeniero, a fin de limitar la fisuración debido a la contracción plástica, contracción térmica inicial y contracción por secado a largo plazo, y para garantizar una adherencia eficaz entre las capas de shotcrete, evitando la deshidratación superficial prematura. El uso de compuestos de curado internos depende de los requisitos establecidos en los Párrafos 20–25 de esta especificación particular. Párrafo 115 Si se propone el uso de agentes de curado proyectados en el sitio de aplicación de una capa adicional de shotcrete, deberán llevarse a cabo ensayos en obra para determinar la adherencia entre capas (sujeto a la aprobación del ingeniero) utilizando mezclas y métodos aprobados, antes de utilizar tales agentes en la obra. Párrafo 116 El curado debe efectuarse a menos de 20 minutos de la finalización de cada operación de proyección (en el caso de curado húmedo, debe haber un período mínimo de 7 días). Párrafo 117 El shotcrete tipo S1 no requiere ser sometido a medidas de curado especiales a menos que vaya a cubrirse con capas adicionales de cualquier tipo y, según lo determine el ingeniero, si los resultados de los ensayos en la obra indican que no siempre se están logrando los requisitos de esta especificación particular, en cuyo caso se deberá hacer el curado del shotcrete tal como se hace para los tipos S2 y S3.
Párrafo 113 El control del perfil del revestimiento del túnel, tal como se muestra en los planos, debe someterse a la aprobación del ingeniero bien sea por métodos manuales o electrónicos. Los equipos de láser deben cumplir con 238
239
Ensayos en la obra General Párrafo 118 Realizar periódicamente ensayos en probetas o muestras obtenidas del shotcrete aplicado en la obra. Únicamente para ciertos ensayos específicos (tal como se indica en las cláusulas siguientes), utilizar paneles o vigas para fines de pruebas. Párrafo 119 Llevar a cabo el control de la mezcla de concreto observando las «Especificaciones de materiales y trabajos en concreto» y esta especificación particular («Métodos de ensayo»). Párrafo 120 Ensayar las muestras siguiendo las cláusulas siguientes, y realizar los ensayos utilizando los métodos siguientes: Ensayo Resistencia a compresión Resistencia a la flexión* Valor de resistencia residual* Resistencia de adherencia Durabilidad/permeabilidad Densidad seca Absorción en ebullición Volumen de vacíos Tiempo de fraguado Contenido de fibra* Fibras* Trabajabilidad*
Método de ensayo BS EN 12504:Parte 1:2000 EFNARC (1996), Sección 10.3 EFNARC (1996), Sección 10.3 Véanse los Párrafos 160–166 Véanse los Párrafos 157–159 ASTM C642:97 ASTM C642:97 ASTM C642:97 EFNARC (1996), Apéndice 1, Sección 4.2 Véanse los Párrafos 141–143 Véase el Párrafo 156 BS1881:Parte 102
* = Únicamente con shotcrete reforzado con fibra metálica
Párrafo 121 La frecuencia de ensayo para control de mezclas debe efectuarse según las «Especificaciones de materiales y trabajos en concreto», y para realizar pruebas de muestras obtenidas del shotcrete en la obra, tal como se indica en las cláusulas siguientes de esta especificación particular.
Párrafo 123 El contratista puede proponer la ubicación de las probetas a obtenerse de la obra, que deberá ser aprobada por el ingeniero. No se aceptarán los resultados de ensayos que no cumplan totalmente con esta cláusula. Párrafo 124 En casos donde el espesor nominal requerido de shotcrete sea menor que 100 mm, las probetas para resistencia a compresión u otros ensayos que requieran muestras mayores que 100 mm deben tomarse de áreas con un espesor real mayor de 100 mm. En lo que se refiere a la obtención de subsiguientes probetas de ensayo, aplicar espesores de shotcrete adicionales alternativos en áreas seleccionadas por el contratista y aprobadas por el ingeniero.
Ensayo de resistencia a la compresión Párrafo 125 Los ensayos de resistencia a la compresión deben ser hechos en probetas de ensayo preparadas que tengan un diámetro de 100 mm y longitud de 100 mm, tomadas del shotcrete de la obra conforme a la norma BS EN 12504:Parte 1:2000 y el Concrete Society Technical Report No. 11. La probeta debe ser obtenida lo más cercano a las 24 horas siguientes a la colocación. Las probetas requeridas para ensayos de resistencia a los 28 días deben obtenerse al mismo tiempo que los testigos requeridos para los ensayos a 1 día y a 7 días, y almacenarse en el laboratorio según BS1 881: Partes 111 y 120. Párrafo 126 Frecuencia de obtención de probetas: 3 probetas para cada una de las pruebas de resistencia (1 día y 7 días) para shotcrete tipo S1, y para la prueba de resistencia a los 28 días para todos los tipos de shotcrete, por cada 100 m3 de cada tipo de shotcrete utilizado en la obra. Según el cumplimiento de los resultados de la prueba con esta especificación particular, las circunstancias de la aplicación e importancia de construcción, la frecuencia puede reducirse a cada 200 m3 o aumentarse a cada 50 m3 , sujeto a la aprobación del ingeniero. Obtener las probetas a través de todo el espesor del shotcrete, y verificar que el shotcrete esté denso y homogéneo, sin segregación de agregado o fibra u otros defectos visibles.
Párrafo 122 Las dimensiones de las probetas de ensayo deben indicarse en esta especificación particular («Ensayos de aceptación y ensayos en obra»).
Párrafo 127 Las pruebas de resistencia para 1 día deben realizarse en 24 horas ±2 horas, y las de 7 días y 28 días deben realizarse conforme a la norma BS1881: Parte 120.
240
241
Párrafo 128 En vez de hacer pruebas en probetas tomadas del shotcrete en la obra, se pueden realizar métodos de ensayo indirectos (sujeto a la aprobación del ingeniero) para determinar la resistencia a 1 día del shotcrete tipo S1, pero no deben utilizarse para otros tipos de shotcrete. Durante los ensayos en obra, los resultados de las pruebas indirectas deben correlacionarse con los de las pruebas de resistencia a compresión in situ a 1 día, a la aprobación del ingeniero. Párrafo 129 Se aceptará la resistencia del shotcrete medida en probetas tomadas de la obra (o mediante métodos de ensayo indirectos, conforme al Párrafo 128) si los resultados del ensayo de resistencia a compresión cumplen con los requisitos mínimos de desempeño mostrados en la tabla A.1. Un resultado consistirá en el promedio de la resistencia de 3 probetas. Los resultados a los 7 días deben utilizarse únicamente para fines indicativos. La resistencia a compresión de cilindros debe considerarse como la resistencia a compresión de cubos in situ siempre que se cumplan con los requisitos del Párrafo 125 en cuanto a diámetro del núcleo y razón altura:diámetro.
Pruebas de resistencia a flexión y de grado de resistencia residual Párrafo 130 Los ensayos para determinar la resistencia a flexión y el grado de resistencia residual deben realizarse en vigas cortadas de paneles proyectados en posición vertical. El método de ensayo debe ser el indicado en la Sección 10.3 de EFNARC (1996). Los paneles deberán ser proyectados durante la obra utilizando moldes de acero u otros materiales rígidos que no absorban agua. Dimensiones: 1000 mm x 1000 mm x 200 mm de profundidad, con lados inclinados 45° hacia afuera para evitar el atrape del material de rebote. Todo el proceso de proyección debe ser realizado por el mismo operario, quien debe además emplear la misma técnica de proyección y los mismos espesores de capa. Párrafo 131 Los paneles deben marcarse claramente con letreros que identifiquen la hora, la fecha y la situación de la proyección. No deben moverse durante 18 horas después de la proyección; deben estar curados y protegidos conforme a la aprobación del ingeniero. Las vigas deben ser aserradas de los paneles siguiendo el método de ensayo (EFNARC [1996], Sección 10.3). La 242
parte superior de las vigas debe estar orientada como la cara a tensión en el equipo de ensayo, y la cara superior no debe aserrarse. Párrafo 132 La frecuencia de ensayo debe ser la siguiente: un ensayo (es decir, el promedio de ensayos en 3 vigas del mismo panel o paneles) por cada 300 m3 de cada tipo de shotcrete reforzado con fibra metálica colocado en la obra. Párrafo 133 Se aceptará el shotcrete si los resultados del ensayo de resistencia a flexión y resistencia residual exceden los requisitos mínimos de esta especificación particular, sin que existen valores individuales que sean inferiores al 75 % del resultado promedio para cada ensayo, y sin que ninguna viga de ensayo tenga una curva esfuerzo/deformación que caiga por debajo del próximo nivel de resistencia residual (salvo las vigas especificadas para la Clase 1).
Ensayo de adherencia Párrafo 134 La frecuencia del ensayo de adherencia debe ser la siguiente: un ensayo (es decir, el promedio de ensayos en 6 probetas de la misma área general de la obra, según la aprobación del ingeniero) por cada 500 m3 de cada tipo de shotcrete aplicado directamente a superficies rocosas. Párrafo 135 Se aceptará el shotcrete si los resultados de un ensayo exceden los requisitos mínimos de esta especificación particular, y 80 % de los valores individuales exceden el 50 % del requisito mínimo especificado.
Ensayo de durabilidad/permeabilidad Párrafo 136 La frecuencia del ensayo durabilidad/permeabilidad debe ser la siguiente: un ensayo (es decir, el promedio de ensayos en 3 probetas de shotcrete de 28 días, obtenidas de la misma área general de la obra, según la aprobación del ingeniero) por cada 500 m3 de shotcrete tipo S2 aplicado en la obra.
243
Párrafo 137 Se aceptará el shotcrete si el promedio de los resultados de un ensayo es menor que la máxima profundidad especificada de penetración de agua, y ningún resultado individual excede una profundidad de penetración de 50 mm.
Párrafo 143 Se aceptará el shotcrete si el promedio de los resultados de un ensayo excede los requisitos mínimos especificados, y si ningún resultado individual es menor que el mínimo especificado en más del 20 %.
Ensayo de fibras Densidad seca, absorción en ebullición y volumen de vacíos Párrafo 138 Determinar la densidad seca, la absorción en ebullición y el volumen de vacíos de muestras de shotcrete tomado de la obra. El material de muestreo puede utilizarse para otros propósitos sujeto a la aprobación del ingeniero. Párrafo 139 La frecuencia de ensayo debe ser la siguiente: un ensayo de cada tipo (es decir, el promedio de ensayos en 3 probetas de shotcrete de 7 y 28 días obtenidas, según se requiera, de la misma área general de la obra y según la aprobación del ingeniero) por cada 200 m3 de shotcrete tipo S1 o S2 aplicado en la obra. Párrafo 140 Se aceptará el shotcrete si el promedio de los resultados para cada ensayo satisfacen los requisitos especificados.
Párrafo 144 Realizar por lo menos un ensayo de tensión, con 10 fibras acabadas seleccionadas al azar, por cada 4,5 toneladas de material suministrado o cada envío en caso de que pese menos de 4,5 toneladas. La resistencia promedio a la tensión de estas pruebas no debe ser menor que el mínimo especificado. La resistencia a la tensión de cualquiera de las diez muestras debe ser superior a 800 MPa. Párrafo 145 Los ensayos de doblado de fibras deben hacerse en conformidad con ASTM A820:96. Párrafo 146 Los requisitos de rebote y repetición de ensayos deben estar en conformidad con ASTM A820:96.
Ensayo de trabajabilidad Contenido de fibra Párrafo 141 Realizar una evaluación del contenido de fibra en una muestra de 5 kg de shotcrete reforzado con fibra metálica fresco, obtenida de la obra inmediatamente después de la proyección. Después del lavado, las fibras metálicas deben reunirse, secarse y pesarse. El peso debe compararse con el volumen de la muestra, el cual debe determinarse sujeto a la aprobación del ingeniero (EFNARC [1996], Sección 10.9). Párrafo 142 La frecuencia de ensayo para el contenido de fibra debe ser la siguiente: un ensayo (es decir, el promedio de ensayos en 3 probetas) por cada 200 m3 de shotcrete reforzado con fibra metálica aplicado en la obra.
244
Párrafo 147 La trabajabilidad del shotcrete reforzado con fibra metálica deben medirse mediante ensayos de asentamiento según BS1881: Parte 102, después de añadir fibra y plastificante a las dosificaciones requeridas. Hacer ensayos de muestras por cada producción de 50 m3.
Falta de conformidad con los criterios establecidos Párrafo 148 En caso de que los resultados de cualquier ensayo en la obra no cumplan con los criterios de aceptación establecidos en las cláusulas de esta especificación particular (anteriormente mencionada), revisar y confirmar los resultados y procedimientos de ensayo. El ingeniero debe, si es necesario, exigirle al contratista la realización de pruebas adicionales a fin de determinar el alcance de la falta de conformidad con los criterios, o discutir nuevas proporciones de mezcla o nuevos métodos para evitar fallas adicionales. 245
Párrafo 149 En caso de que el ingeniero considere que el problema de falta de conformidad podría reducir la estabilidad o capacidad de servicio a largo plazo de la obra de una manera inaceptable, o si perjudica la eficiencia de la obra, el contratista deberá (según se lo indique el ingeniero) realizar uno de los dos procedimientos siguientes: a) Eliminar el shotcrete defectuoso en franjas o paneles, de manera tal de no comprometer la seguridad de la obra o de las personas, y volver a colocar un shotcrete aceptable, o; b) Aplicar una capa adicional de shotcrete que no exceda el espesor originalmente requerido, según la naturaleza de la falta de incumplimiento con los requisitos.
Métodos de ensayo General Párrafo 150 Las pruebas requeridas por esta especificación particular deben realizarse utilizando métodos que deben estar en conformidad con las normas especificadas, a menos que se especifique lo contrario en las cláusulas siguientes.
Exudación del cemento Párrafo 151 El método para determinar la cantidad de exudación del cemento es el siguiente: a) Verter exactamente 98 g de agua a una temperatura de +20°C en un vaso precipitado de vidrio de 250 ml. Agitando con una varilla de vidrio, añadir uniformemente 115 g de cemento en un período de 20 segundos. Agitar la mezcla durante 2 minutos hasta formar una pasta homogénea y relativamente delgada (relación agua/cementante = 0,85). b) Transferir la masa homogeneizada en un cilindro graduado de 100 ml, hasta la marca de 100 ml, mediante una varilla de vidrio (no verter directamente en el cilindro). Colocar el cilindro de medición en un vaso precipitado lleno con agua mantenida a +20°C ±2°C durante la prueba. c) Al cabo de 120 minutos debe leerse en la escala la cantidad de cemento que se haya estabilizado, es decir, se puede determinar la cantidad de agua de exudación. La lectura en mililitros corresponde al porcentaje en volumen de agua expulsada.
Ensayo de acelerantes Tiempo de fraguado de acelerantes basados en aluminato Párrafo 152 1) 30 – 32 g de agua 2) 100 g de cemento (+20°C ±1°C) 3) Mezclar durante 2 – 3 min hasta obtener una pasta de cemento homogénea. 4) Añadir 6 g del acelerante de aluminato correspondiente.
246
247
5) Mezclar enérgicamente a mano durante un máximo de 15 segundos para distribuir bien el acelerante en la pasta de cemento. Nota: Evitar mezclar por más de 15 segundos; de lo contrario se correrá el riesgo de deteriorar el proceso de fraguado. 6) Formar una masa con la pasta de cemento acelerada y colocarla en el molde de ensayo Vicat. 7) Utilizar únicamente el equipo de aguja Vicat manual (no el automático). 8) Llevar a cabo el ensayo para determinar el inicio del fraguado y anotar los resultados. La aguja debe detenerse a 1 – 2 mm del fondo. 9) Llevar a cabo el ensayo para determinar el final del fraguado y anotar los resultados. Es posible que la aguja no penetre la pasta de cemento. Interpretación de los resultados: Inicio del fraguado <30 s <60 s Final del fraguado <3 min <4 min Clasificación Bueno Aceptable
>60 s >4 min No aceptable
Criterio principal para los acelerantes de aluminato: C3A 5–10%, preferentemente 7–9% Blaine >3500 m2/kg, preferentemente >4000 m2/kg También depende de la mezcla de cenizas volantes, escoria y yeso. Tiempo de fraguado de acelerantes libres de álcalis en forma líquida Párrafo 153 Los acelerantes líquidos libres de álcalis no funcionan con todo tipo de cemento: con ciertos cementos se obtienen características de fraguado excesivamente lentas. Esta limitación se aplica principalmente a la aplicación por vía húmeda; en la aplicación por vía seca, el efecto negativo de las características de fraguado puede compensarse disminuyendo la relación agua/cementante. Por tal razón, es necesario inspeccionar la reactividad y el tiempo de fraguado de los cementos utilizados en el proyecto. En una pasta de cemento: (Equipo: recipiente de mezcla con espátula redonda, aguja Vicat manual, cronómetro, moldes de prueba) 1) 26 – 35 g de agua 2) 1,0 g de superplastificante 3) 100 g de cemento (+20°C ±1°C) 4) Mezclar vigorosamente hasta obtener una pasta homogénea 248
5) Añadir 3 – 10 g de acelerante y mezclar durante un máx. de 5 segundos 6) Inmediatamente después de mezclar, llenar un molde de prueba, colocarla bajo la aguja Vicat manual y comenzar a medir la penetración 7) Anotar el inicio del fraguado (la aguja se detiene a 1 – 2 mm de la parte inferior de la pasta de cemento) 8) Anotar el final del fraguado (la aguja no puede penetrar en la pasta de cemento) Interpretación de Inicio del fraguado Final del fraguado Clasificación
resultados: <2 min <4 min <5 min <8 min Bueno Aceptable
>4 min >8 min No aceptable
En un mortero (según EN 196-1): (Equipo: Mezclador Hobart, aguja Vicat manual, moldes prismáticos para mortero) 1) Verter 195 g de agua en el mezclador, añadir 2 – 6 g de plastificante y 450 g de cemento (+20°C ±1°C) y agitar durante 30 segundos 2) Añadir 1350 g de arena normalizada y mezclar durante 30 segundos 3) Mezclar a velocidad media por 30 segundos 4) Detenerse por 90 segundos 5) Mezclar nuevamente por 30 segundos 6) Revisar el asentamiento del mortero (según EN 196-1). Asentamiento requerido: 15 – 18 cm. Si es necesario, ajustarlo añadiendo agua 7) Añadir acelerante y mezclar durante un máx. de 15 segundos 8) Inmediatamente después de mezclar, preparar el prisma de prueba 9) Llenar el prisma en una mesa de vibración para evitar una compactación deficiente 10) Colocarlo bajo la aguja Vicat manual y comenzar a medir la penetración 11) Anotar el inicio del fraguado (la aguja de detiene a 1 – 2 mm de la parte inferior de la pasta de cemento) 12) Anotar el final del fraguado (la aguja no puede penetrar la pasta de cemento) 13) Medir la resistencia a la compresión a las 6 horas y a las 24 horas Interpretación de los resultados: Inicio del fraguado <2 min Final del fraguado <6 min Resistencia a las 6 horas 2,5 – 4 MPa Resistencia a las 24 horas 18 – 25 MPa Clasificación Bueno
249
2 – 5 min 8 – 13 min 1 – 2,5 MPa 10 – 18 MPa Aceptable
>5 min >13 min <1 MPa <10 MPa No aceptable
Nota: Usualmente cuando los tiempos de fraguado no son buenos, se obtiene una buena resistencia a las 24 horas. Incluso con un fraguado lento es posible hacer la proyección de 5 – 7 cm en la pared o de 3 – 5 cm en clave. En la mayoría de los casos estas pruebas no funcionan bien debido a que el tiempo de solidificación del gel es demasiado rápido como para permitir una mezcla a fondo. En vista de ello, MBT desarrolló un equipo de pruebas Viper para hacer pruebas de fraguado de morteros de proyección.
Disminución de resistencia Párrafo 154 Determinar la disminución en resistencia debida al uso de acelerantes siguiendo el siguiente procedimiento: a) Emplear cubos de mortero según BS4550: Parte 3: Sección 3.4. b) Comparar las resistencias del mortero a los 7 días y a los 28 días, siguiendo los métodos especificados en las cláusulas siguientes de esta especificación particular, a saber: – Determinar la resistencia sin el acelerante (A) – Determinar la resistencia con el acelerante, a las dosis determinadas por las pruebas de tiempo de fraguado (B) c) Reducción máxima de resistencia: A - B x 100 A El resultado no debe ser mayor que el porcentaje máximo especificado.
Ensayo con mortero (sin acelerante, mezcla de mortero básica) Párrafo 155 Determinar la resistencia a compresión de cubos de mortero sin acelerante según BS4550: Parte 3: Sección 3.4:1978, ítem 2, salvo que debe utilizarse la siguiente relación de mezcla: 570 g de cemento (+20°C ±1°C) 1710 g de arena (según los requisitos de la norma BS4550: Parte 6) 370 g de agua
cia a la tracción debe tener cuatro decimales, en unidades de milímetros cuadrados, y deberá ser: a) para fibras de alambre estirado en frío: el área calculada a partir del diámetro real de la fuente o de las fibras terminadas; b) para fibras de lámina cortada: el área calculada a partir del espesor y ancho real de la muestra de origen, o si se ensayan las fibras, el área de cada fibra individual calculada a partir de la longitud y peso de la fibra, con peso redondeado al 0,0001 g, en base a una densidad de 7850 kg/m3. c) para fibras fabricadas por templado (melt-extraction): el área calculada a partir del diámetro equivalente de las fibras, calculado de la longitud promedio medida y el peso de una cantidad conocida de fibras, en base a una densidad de 7850 kg/m3.
Ensayo de durabilidad/permeabilidad Párrafo 157 El ensayo de durabilidad/permeabilidad se hará como un ensayo de penetración de agua según la norma DIN 1048: Parte 5 y las cláusulas siguientes. Párrafo 158 Obtener tres conos de 150 mm de diámetro mediante la técnica de sondeo de rotación de diamante, desde cada sitio de prueba siguiendo los Párrafos 76 y 77, y desde los ensayos en la obra siguiendo los Párrafos 136 y 137. Los conos deben tener una longitud suficiente como para permitir la preparación de las probetas de ensayo (las cuales deben tener un largo de 120 mm) para el ensayo conforma a la norma especificada. Párrafo 159 Para cada probeta, anotar la siguiente información: – Fecha de obtención de la probeta – Número de probeta – Dirección de la proyección
Ensayo de resistencia de adherencia Ensayo de fibras Párrafo 156 Los ensayos en fibras metálicas deben realizarse según la norma ASTM A820:96 excepto que el área transversal utilizada para calcular la resisten250
Párrafo 160 El ensayo de resistencia de adherencia entre el shotcrete y la roca debe realizarse bien sea mediante pruebas in situ o bien en un laboratorio mediante ensayos de probetas adheridas de roca/shotcrete.
251
Párrafo 161 Los equipos para llevar a cabo las pruebas y métodos de ensayo detallados deben cumplir con la descripción dada por EFNARC (1996), Sección 10.6 u otras alternativas, sujeto a la aprobación del ingeniero. Párrafo 162 Realizar las pruebas en probetas mayores que 60 mm y con diámetro menor que, o igual a 100 mm. La perforación para ensayos in situ debe penetrar la roca al menos 15 mm. Párrafo 163 Las probetas obtenidas para ensayos de laboratorio deben curarse y protegerse hasta el momento del ensayo. Párrafo 164 La velocidad de carga debe ser superior a 1 MPa por minuto y no inferior a 3 MPa por minuto.
Párrafo 167
Referencias y normas particulares A continuación se expone una lista de las normas mencionadas en esta especificación particular para el shotcrete. Sujeto a la aprobación del ingeniero, el contratista podría proponer el empleo de normas alternas, en cuyo caso deberá acompañar su propuesta con documentos redactados en inglés (original y copia), que contengan detalles y explicaciones completas de las normas pertinentes. Es necesario que el contratista permita el tiempo necesario para la revisión y aprobación de dicha(s) alternativa(s) por parte del ingeniero.
Párrafo 165 Registrar la siguiente información: – Identificación de la muestra, tipo de shotcrete y fuente – Dimensiones de la probeta – Edad y condiciones de curado – Velocidad de carga y deformación – Carga máxima y resistencia de adherencia calculada – Descripción de la falla (incluyendo la superficie de fractura) Párrafo 166 Las pruebas pueden concluir si la resistencia de adherencia calculada excede 1,5 MPa.
252
253
BS 12:1996
Specification for Portland Cement
Parte 111:1983
BS 812 Parte 2:1995 Parte 3:1990 Parte 100:1990
Parte 112:1983 Parte 114:1983
Parte 121:1989
Testing Aggregates Methods for determination of physical properties Methods for determination of mechanical properties General requirements for apparatus and calibration [Replaced by BS EN 932–5:2000] Guide to sampling and testing aggregates Methods for sampling [Replaced by BS EN 932-1:1997] Method for determination of particle size distribution Sieve tests Sedimentation test Methods for the determination of particle shape Flakiness index Elongation index of coarse aggregate Method for the determination of shell content Methods for the determination of moisture content [Partially replaced by BS EN 1097-5:1999] Methods for the determination of aggregate crushing value [Partially replaced by BS EN 1097-2:1998] Determination of ten per cent fines value [Partially replaced by BS EN 1097-2:1998] Method for the determination of aggregate impact value [Partially replaced by BS EN 1097-2:1998] Method for the determination of aggregate abrasion value [Replaced by BS EN 1097-8:2000] Method for determination of polished stone value [Replaced by BS EN 1097-8:2000] Method for determination of water-soluble chloride salts Method for the determination of sulphate content Method for the determination of acid-soluble material in fine aggregate Method for the testing and classifying drying shrinkage of aggregates for concrete Method for the determination of soundness
BS 882:1992
Specification for Aggregates from Natural Sources for Concrete
BS 1370:1979
Specification for Low Heat Portland Cement
BS 1881 Parte 101:1983
Testing Concrete Method of sampling fresh concrete on site [Replaced by BS EN 12350–1:2000] Method for determination of slump [Replaced by BS EN 12350–2:2000] Method for making test cubes from concrete [Replaced by BS EN 12390–1:2000]
Parte 101:1984 Parte 102:1989 Parte 103 Sección 103.1:1985 Sección 103.2:1989 Parte 105 Sección 105.1:1985 Sección 105.2:1990 Parte 106:1985 Parte 109:1990 Parte 110:1990 Parte 111:1990 Parte 112:1990 Parte 113:1990 Parte 114:1989 Parte 117:1988 Parte 118:1988 Parte 119:1985 Parte 120:1989
Parte 115:1986 Parte 116:1983 Parte 120:1983 Parte 124:1988 Parte 125:1986 Parte 127:1990 Parte 131:1998 Parte 201:1986 Parte 202:1986 Parte 203:1986 Parte 204:1988 Parte 205:1986 Parte 206:1986 Parte 207:1992
Method of normal curing of test specimens (+20°C method) [Replaced by BS EN 12390–1:2000] Methods of accelerated curing of test cubes Methods for determination of density of hardened concrete [Replaced by BS EN 12390–7:2000] Specification for compression testing machines for concrete [Replaced by BS EN 12390–4:2000] Method for determination of compressive strength of concrete cubes Method for determination of compressive strength of concrete cores Methods for analysis of hardened concrete Methods for mixing and sampling fresh concrete in the laboratory Method of verifying the performance of concrete cube compression machine using the comparative cube test Methods for testing cement in a reference concrete Guide to the use of non-destructive methods of test for hardened concrete Recommendations for surface hardness testing by rebound hammer Recommendations for measurement of velocity of ultrasonic pulses in concrete Recommendations on the use of electromagnetic cover meters Recommendations for radiography of concrete Recommendations for the determination of strain in concrete Recommendations for the assessment of concrete strength by near-tosurface tests
BS 4027:1996
Specification for Sulphate-Resisting Portland Cement
BS 4550 Parte 3 Sección 3.4:1978
Methods for Testing Cement Physical tests Strength tests [Replaced by BS EN 196–1:1995 and partially by BS 1881– 131:1998] Test for heat of hydration Standard sand for mortar cubes
Sección 3.8 Parte 6:1978 BS 5075-1:1982
Specification for Accelerating Admixtures, Retarding Admixtures and Water Reducing Admixtures [Partially replaced by BS EN 480 and BS EN 934]
BS 5328
Parte 102:1983 Parte 108:1983
254
Parte 3:1990
Concrete Specification for the procedures to be used in producing and transporting concrete
Parte 4:1990
Specification for the procedures to be used in sampling, testing and assessing compliance of concrete
BS 6588:1996
Specification for Portland Pulverised Fuel Ash Cement
255
BS EN 196
Methods of Testing Cement
BS EN 12504
Testing Concrete in Structures
Parte 1:1995
Determination of strength
Parte 1:2000
Cored specimens. Taking, examining and testing in compression
Parte 2:1995
Chemical analysis of cement
Parte 3:1995
Determination of setting time and soundness
Parte 6:1992
Determination of fineness
Parte 7:1992
Methods of taking and preparing samples of cement
Parte 21:1992
Determination of chloride, carbon dioxide and alkali content of cement
ASTM A820-96
Specification for Steel Fibres for Fibre Reinforced Concrete
BS EN 480
Admixtures for Concrete, Mortar and Grout. Test Methods
ASTM C94
Standard Specification for Ready Mixed Concrete
Parte 1:1998
Reference concrete and reference mortar for testing
Parte 2:1997
Determination of setting time
Parte 4:1997
Determination of bleeding of concrete
Parte 5:1997
Determinaton of capillary absorption
Parte 6:1997
Infrared analysis
Parte 8:1997
Determination of the conventional dry material content
Strength of Fibre Reinforced Concrete (Using Beam with Third Point
Parte 10:1997
Determination of water-soluble chloride content
Loading)
Parte 11:1999
Determination of air void characteristics in hardened concrete
Parte 12:1998
Determination of the alkali content of admixtures
Concrete Society Technical Report No 11 including Addendum (1987) Concrete Core Testing for Strength, May 1976 with addendum (1987)
ASTM C642-97
Standard Test Method for Specific Gravity, Absorption and Voids in Hardened Concrete
ASTM C1018-97
ASTM C1260-94
Standard Test Method for Flexural Toughness and First Crack
Standard Test Method for Potential Alkali Reactivity of Aggregates (Mortar Bar Method)
BS EN 932
Tests for General Properties of Aggregates
Parte 1:1997
Methods for sampling
Parte 5:2000
Common equipment and calibration
BS EN 934
Admixtures for Concrete, Mortar and Grout. Concrete Admixtures
Parte 2:1998
Definitions and requirements
Parte 6:2000
NS 3045 (1992)
Silica Fume for Concrete. Definitions and Requirements (Norwegian Council for Building Standardisation)
ACI 506.3R-91
Guide to Certification of Shotcrete Nozzlemen. In American Concrete Institute Manual of Concrete Practice. Publ ACI Detroit.
Sampling, conformity control, evaluation of conformity, marking and labelling
DIN 1048
Test Methods for Concrete
Parte 5:1991
Tests on hardened concrete
BS EN 1097
Tests for Mechanical and Physical Properties of Aggregates
Parte 2:1998
Methods for the determination of resistance to fragmentation
Parte 5:1999
Determination of the water content by drying in a ventilated oven
Publ European Federation of Producers and Applicators of Specialist
Parte 8:2000
Determinaton of the polished stone value
Products for Structures (EFNARC). Disponible a través de Sprayed
BS EN 1367
Tests for Thermal and Weathering Properties of Aggregates
Parte 4:1998
Determination of drying shrinkage
BS EN 12350
Testing Fresh Concrete
Publ European Federation of Producers and Applicators of Specialist
Parte 1:2000
Sampling
Products for Structures (EFNARC). Disponible a través de Sprayed
Parte 2:2000
Slump test
Concrete Association, PO Box 111, Aldershot, Hampshire, GU11 1YW,
BS EN 12390
Testing Hardened Concrete
Parte 1:2000
Shape, dimensions and other requirements for specimens and moulds
Parte 4:2000
Compressive strength. Specification for testing machines
Parte 7:2000
Density of hardened concrete
Especificación Europea del Shotcrete (1996)
Concrete Association, PO Box 111, Aldershot, Hampshire, GU11 1YW, Reino Unido. Fax: +44 1252 333901. Pautas para el Shotcrete de EFNARC (1999)
Reino Unido. Fax: +44 1252 333901.
256
257
