CAPITULO CAPITULO III DESCRIPCIÓN GEOMECÁNICA 3.1
Condiciones Geomecánicas estructurales estructur ales del macizo rocoso El comportamiento del macizo rocoso se basa en la presencia de carbonatos (arcillas expansivos e inestables que proceden de un origen primario etapa de formación de la roca) estas arcillas se basan según la formación del origen secundario (minerales producto de la alteración hidrotermal); la cual este tipo de arcillas ocasiona un rápido deterioro de la calidad de roca y del mineral, logrando disminuir el grado de resistencia y aumentando las presiones en las paredes, debido a la constante absorción del agua subterránea existente.
3.2
Aspectos Geomecánicos de Casapalca El aspecto geomecánico general de la Unidad Cuerpo Mery en la Compañía Minera Casapalca se realiza de acuerdo a la clasificación geomecánica según el criterio de Bieniawski, el composito en su mayoría presenta un RMR que varía entre 25 – 75 presentando presentando una roca muy fracturada y moderadamente fracturada. La estructura del macizo rocoso comprende del conjunto de fallas, diaclasas, pliegues, y demás características geológicas propias de una determinada región. Y el que define la clasificación se denomina RMR (Rock Mass Rating. El RMR se obtiene como la suma de puntuaciones que corresponden a los valores de cada uno de los seis parámetros parámet ros que oscila de 0 a 100 y es mayor cuanto mejor mej or es la calidad de la roca
RMR 90-75 75-50 50-25 25-50 0-25
CLASE I II III IV V
MODIFICADO DENOMINACIÓN MUY BUENA BUENA REGULAR MALA MUY MALA
3.3
Criterios de Evaluación Geomecánica de Casapalca Los criterios a realizar para la evaluación geomecánica en la Compañía Minera Casapalca – Unidad Cuerpo Mery fueron los siguientes: -
Pruebas Esclerométrica: Para las pruebas de campo debe de utilizarse un esclerómetro o martillo tipo “N” con energía de impacto de 0.225 kg.
Mediante la siguiente ecuación; se consigue la correspondencia del rebote (R) obtenida con el martillo “L” para el cual se debe utilizar el ábaco de la
fig. N° 1.
•
Conocido RN
RL = - 3.4 + (0.83 RN) + 0.0029 (RN) 2 •
Conocido RL
RN = 4.5 + (1 + 113 RL) - 0.0025 (R)2
Propiedades físicas. Su determinación se basa en el establecimiento del peso seco, peso saturado y el volumen de las probetas rocosas cilíndricas. Las propiedades que así se determinan son:
A. Peso específico (δ): Es el peso de una unidad de volumen de roca, expresado en gr. /cm 3; Kg. /m3; etc. Y se determina por las siguiente fórmula: δ = Peso seco x 9.81 gr. /cm3 Volumen
3.3
Criterios de Evaluación Geomecánica de Casapalca Los criterios a realizar para la evaluación geomecánica en la Compañía Minera Casapalca – Unidad Cuerpo Mery fueron los siguientes: -
Pruebas Esclerométrica: Para las pruebas de campo debe de utilizarse un esclerómetro o martillo tipo “N” con energía de impacto de 0.225 kg.
Mediante la siguiente ecuación; se consigue la correspondencia del rebote (R) obtenida con el martillo “L” para el cual se debe utilizar el ábaco de la
fig. N° 1.
•
Conocido RN
RL = - 3.4 + (0.83 RN) + 0.0029 (RN) 2 •
Conocido RL
RN = 4.5 + (1 + 113 RL) - 0.0025 (R)2
Propiedades físicas. Su determinación se basa en el establecimiento del peso seco, peso saturado y el volumen de las probetas rocosas cilíndricas. Las propiedades que así se determinan son:
A. Peso específico (δ): Es el peso de una unidad de volumen de roca, expresado en gr. /cm 3; Kg. /m3; etc. Y se determina por las siguiente fórmula: δ = Peso seco x 9.81 gr. /cm3 Volumen
B. Porosidad (n): Es la relación entre el volumen de vació (poros) y el volumen total de la muestra y se calcula mediante la siguiente relación en término porcentuales.
n = Peso saturado – Peso seco x 100 δ W x volumen
C. Absorción (w): Es el agua que llena a los poros de una muestra de roca sumergida en agua, y es la relación porcentual del peso del agua absorbida, respecto al peso de la muestra seca.
W = Peso saturado – Peso seco x 100 Peso seco
Ejemplo: En el siguiente cuadro se muestra un ejemplo del resultado de las propiedades físicas obtenidas de una muestra representativa:
Ø
Longitud Volumen
mm.
mm.
cm.3
34.80
30.50
39.10
2.1.1
P. P. P. natural seco saturado
P.E. (δ)
Gr.
Gr.
Gr.
Kg./m3
78.57
78.45
78.66
2.653
Propiedades Mecánicas.
Poros Absorción %
%
0.72
0.27
Clasificación de Bieniawski – Bieniawski – Índice “RMR” El valor de “RMR” se obtiene por la suma de cinco parámetros los que
tienen su correspondiente valuación y son: 1.
resistencia de la roca inalterada.
2.
RQD
3.
Separación entre entre las discontinuidades. discontinuidades.
4.
Estado de las discontinuidades.
5.
Presencia de agua.
Existe un 6to parámetro que es el ajuste en la valuación que considera la disposición de juntas respecto ala excavación. excavación. Las categorías de roca en función del valor del RMR, están designado como siguen: Roca muy buena
RMR entre 81 – 100
Roca buena
RMR entre 61 – 80
Roca media
RMR entre 41 – 60
Roca mala
RMR entre 21 – 40
Roca muy mala
RMR menor que 20
Para evaluar el macizo con esta clasificación Bieniawski, planteo correlacionar su índice “RMR” con el de Barton (Q), y después de analizar
más de 100 casos los correlaciono mediante la siguiente expresión: RMR = 9 Ln Q + 44 Con r
= 0.94
Esta correlación, sin embargo tiene un margen de ±18 para un limite de confianza del 90% (ver fig. Nº 5). A continuación se muestra un ejemplo para el empleo de esta correlación. Entre la progresiva 0 + 725 – 0 + 743 se obtuvo en el mapeo los siguientes valores: Q = 0.8, RMR = 57 aplicando la formula de correlación se tiene: RMR =
9 Ln Q + 44
RMR (teórico)
= 9 Ln (0.8) + 44 =42
Este valor de RMR (teórico) esta dentro del límite de confianza del 90%.
Clasificación adoptada por el ejemplo Según el ejemplo estas clasificaciones (Q, RMR) finalmente es adecuada para la obra, agrupando las rocas en tres categorías o tipos de rocas, siguiendo los criterios por Deere. Las características adoptadas para la valuación de la calidad de las rocas son:
Roca tipo I: rocas generalmente duras y moderadamente fracturadas. Las fracturas son discontinuas e irregulares y con superficie cerradas e
de 6.40m. se auto soporta y no requiere soporte sistemático, requiriendo ocasionalmente pernos puntuales para estabilizar eventuales cuñas.
Roca tipo II: El macizo rocoso esta sano ha ligeramente meteorizado, es de resistencia dura a media, afectando por discontinuidades con desplazamiento amplios o moderados (0.2 – 2m) y con trazas continúas. Pequeñas zonas de cortes y fallas pequeñas a medianas. Las diaclasas tienen superficies inalteradas a ligeramente meteorizadas y/o con signos de deslizamiento. Las fracturas (juntas)
son frecuentes planas y
continúas. Los valores del RQD están en el rango de 25 – 90 %, el RMR entre 41 – 60 y Q entre 0.4 – 6.
Roca tipo III: El macizo rocoso esta fracturado o cizallado y moderado a completamente meteorizado, de resistencia media a baja. Las fracturas están abiertas y rellenas con material arcilloso. Las zonas de fallas tienen rellenos de: material arcilloso, milonita, o roca muy fracturada o triturada. Los valores de “Q” están entre 0.001 – 0.4 y el RMR con valores inferiores
a 40. En el cuadro Nº 2 se muestra un resumen de las evaluaciones de los 3 sistemas de clasificación empleados:
Clasificación de Roca adoptada para la obra
I
II
III
Valuación de la Sistema “Q” calidad de macizos rocosos – sistema de Sistema ”RMR” clasificación
>6
0.4 - 6
0.001 – 0.4
>60
41 – 60
00 - 40
ENSAYO DE INDICE MANUAL SOBRE LA RESISTENCIA DEL MATERIAL ROCOSO (ISRM – 1978)
GRADO
DESCRIPCION
IDENTIFICACION
RANGO APROX. DE RESISTENCIA A LA COMPRENSIÓN UNIAXIAL. (MPa)
Roca extremadamente débil
Roca endentado por la uña del dedo pulgar
0.25 – 1.0
Roca muy débil
Se desmorona bajo golpes firmes con las punta del martillo de geólogo, puede ser pelado o descarrillado por un cuchillo de bolsillo
1.0 – 5.0
R2
Roca débil
Puede ser descarrillado por un cuchillo de bolsillo con dificultad, endentado poco profundas, se forman por golpes firmes con la punta del martillo
5.0 – 25.0
R3
Roca de resistencia media o moderadamente resistente.
No puede ser raspado o descortezado con un cuchillo de bolsillo, el espécimen puede ser fracturado con simple golpe firme del martillo geológico
25 – 50
R4
Roca resistente
El espécimen requiere mas de un golpe del martillo geológico para fracturarlo
50 – 100
R5
Roca muy resistente
El espécimen requiere muchos golpes del martillo geológico para fracturarlo.
100 – 250
R6
Roca extremadamente resistente
El espécimen puede ser solamente descascarado con el martillo geológico.
R0
R1
> 250
Velocidad de Ondas “P” Vp (m/s) > 5000 5000 – 4000 4000 – 3000 3000 – 2000 2000 – 1000
Material Dominante del relleno Arcilla expansiva
Arcilla inerte
Clorita, talco, grafito o serpentina Roca triturada, fragmento de comportamiento arenoso. Calcita porosa o en hojuelas yeso
Descripción del macizo (roca ígnea) Roca sana fresca Ligeramente meteorizada y/o con fracturas ampliamente espaciadas. Moderadamente meteorizada y/o con fracturas ampliamente espaciada. Intensamente meteorizada y/o con fracturas cercanas. Muy intensamente meteorizada y/o triturada.
Comportamiento Potencial de Relleno En el frente
Mas tarde Presiones expansivas y empuje Expansiva libre, se hace contra el adene o revestimiento, lado presiones expansivas expansivo libre con caída o deslave y empuje sobre el escudo. si el revestimiento es insuficiente Se afloja y se hace lado por Empuje contra el apoyo del la compresión. revestimiento donde esta Compresión muy fuerte desprotegido: se afloja y se hace bajo condiciones lado debido a cambios ambientales. extremas. Pueden originarse cargas muy grandes debido a la baja Se deshace. resistencia, sobre todo cuando esta húmedo. Se deshace o escurre. El Las cargas se disipan sobre el tiempo de sostén puede ser revestimiento, escurren y disgregan muy breve. si el material no esta confinado. Condiciones favorables
Pueden disolverse, causando inestabilidad en el macizo rocoso.
GRADO
DESCRIPCION
IDENTIFICACION
RANGO APROX. DE RESISTENCIA A LA COMPRENSIÓN UNIAXIAL. (MPa)
Roca extremadamente débil
Roca endentado por la uña del dedo pulgar
0.25 – 1.0
Roca muy débil
Se desmorona bajo golpes firmes con las punta del martillo de geólogo, puede ser pelado o descarrillado por un cuchillo de bolsillo
1.0 – 5.0
R2
Roca débil
Puede ser descarrillado por un cuchillo de bolsillo con dificultad, endentado poco profundas, se forman por golpes firmes con la punta del martillo
5.0 – 25.0
R3
Roca de resistencia media o moderadamente resistente.
No puede ser raspado o descortezado con un cuchillo de bolsillo, el espécimen puede ser fracturado con simple golpe firme del martillo geológico
25 – 50
R4
Roca resistente
El espécimen requiere mas de un golpe del martillo geológico para fracturarlo
50 – 100
R5
Roca muy resistente
El espécimen requiere muchos golpes del martillo geológico para fracturarlo.
100 – 250
R6
Roca extremadamente resistente
El espécimen puede ser solamente descascarado con el martillo geológico.
R0
R1
> 250
CAPITULO IV EVALUACIÓN GEOMECÁNICA DE LAS ESTRUCTURAS MINERALIZADAS Según la geomecánica del macizo rocoso en la Unidad Cuerpo Mery se puede determinar que la zona de cuerpos; se encuentra formada por relleno de fracturas, las venillas que se encuentran con rumbo de vetas madres, y el cuerpo mineralizado de galena, tetraedrita y carbonatos; y según remplazamiento la que se presenta siguiendo el rumbo de los estratos/horizontales de areniscas calcáreas y/o remplazando los clastos y/o matriz calcárea en el conglomerado, presenta así minerales de esfalerita, galena. La cual la estructura mineralizada que posee la Unidad Cuerpo Mery es mediante zonas de cuerpos como:
Cuerpo Mery.- Está compuesta por miembro de capas rojas entre la veta Mariana techo y Esperanza presentando una irregular diseminación de sulfuros de areniscas epidotizadas y piritizadas con rumbo N12°- 25°W la cual posee niveles altos de mineralización la cual se asocia a la veta O, 04 y Q este cuerpo se trabaja mediante taladro largos. Cuerpo Anita.-Está remplazando inmediatamente al Norte del Cuerpo Mery también epidotizadas y piritizadas del miembro de capas rojas en varios niveles y formando un solo cuerpo con el Cuerpo Mery. Cuerpo Emilia.- Esta ubicado en el miembro de capas rojas, al piso de la veta Esperanza, la cual presenta forma irregular la diseminación de sulfuros en arenisca piritizadas y cloritizadas, este cuerpo está asociado a la veta Esperanza Este cuerpo está al piso de la veta.
Cuerpo Esperanza.- Este cuerpo con diseminación de sulfuros concordantes con la estratificación de arenisca del miembro capas rojas, la cual remplaza inmediatamente al techo de la veta Esperanza, la cual posee una mineralización hasta 80m de longitud por 45m de ancho reconociéndose una altura de 300m, el cuerpo mineralizado posee principalmente esfalerita, en pequeña proporción calcopirita, pirita, galena y asociados de franjas de epidota y arenisca calcificada.
Cuerpo Micaela.- Este cuerpo emplazado en el miembro de capas rojas, su mineralización consiste de diseminación y parches de esfalerita, calcopirita,
Cuerpo Sofía.-Diseño de sulfuros diseminados en arenisca del techo de las capas rojas, como control estratificado, esta al piso del conglomerado base del miembro el Carmen, y al piso del cuerpo se encuentra arenisca de grano fino del miembro de capas rojas su longitud llega hasta 35m y su ancho hasta 20 m con una altura reconocida de 170m. Cuerpo Sorpresa.- Se encuentra en la base del miembro El Carmen; es un depósito de sulfuros diseminados concordante con horizonte de conglomerado calcitizado, epidotizado y piritizado, con rumbo NO0º 23ºW, longitud de hasta 60 m, potencia hasta de 7 m y altura reconocida hasta de 200 m.
Cuerpo Negrita.- Es un depósito por relleno de cavidades y reemplazamiento, la estructura que se ha rellenado presenta rumbo paralelo a ta estratificación, con minerales masivos de esfalerita, calcopirita, pirita, galena y eventualmente tetraedrita, se ha reconocido 2 m de ancho, de 50 m de longitud y hasta de 150 m de altura. Cuerpo Vivi an.- Emplazado en el miembro El Carmen, depósito de sulfuros diseminados concordantes con horizonte de conglomerado epidotizado, piritizado y calcitado, con rumbo NOOº - 25ºW, reconocido hasta 11 O m de longitud, potencia hasta de 3 m y hasta de 200 m de altura.
Cuerpo Patty.- Emplazado en el miembro El Carmen, con sulfuros diseminados concordantes con la estratificación que presenta rumbo NOOº - 40ºW reconocido hasta de 3 m de potencia , 100 m de longitud y 50 m de altura. ,
Cuerpo Carmen.- Emplazado en el miembro El Carmen, cuerpo con diseminación de sulfuros concordante con la estratificación de areniscas y conglomerados, su mineralización está compuesta por esfalerita y calcopirita, en menor proporción tetraedrita y galena como minerales de mena, los minerales de ganga son pirita, cuarzo y carbonatos; el rumbo de las bandas mineralizadas y epidotizadas es de NO° - 30ºW con buzamiento de 73º - 85ºE, reconocidas hasta de 15 m de potencia, 100 m de longitud y 100 m de altura .
Cuerpo Escondida.- Cuerpo mineralizado con sulfuros diseminados en horizonte de conglomerados de la secuencia intermedia del miembro El Carmen, su mineralogía está constituida por esfalerita, calcopirita , tetraedrita galena, pirita cuarzo y carbonatos; el rumbo es de N26º - 30°W.
Las características de la estructura mineralizada Unidad Cuerpo Mery, se caracteriza el mineral, pared colgante y pared yacente. Marco estructural
Ambientes volcánicos complejos; frecuentemente asociados con calderas.
Rocas volcánicas genéticamente
Andesitas-riodacitas-riolitas
relacionadas Extensión de la zona de alteración
Restringida y visualmente sutil
Ensambles de alteración
Sericita a argílica. Sericita (o illita) y adularia;
característicos
a veces cloritas. Alunita supérgena
Tipo de minerales de sílice y
Relleno de fracturas y espacios abiertos por
texturas características
calcedonia o cuarzo con texturas: crustificada, coloforme y tipo cocada
Gangas de carbonato
Ubicuas, con frecuencia manganiferas
Otras Gangas
Barita y/o fluorita presentes sólo localmente; baritina por lo general sobreyacen a la mena
Presencia de sulfuros
Más escasos, principalmente pirita
Forma de Ocurrencia
Relleno de fracturas y espacios abiertos; stockwork frecuente
Sulfuros característicos
Esfalerita, galena, tetrahedrita, calcopirita y arsenopirita
Principales metales
Au y/o Ag; (Zn, Pb, Cu)
Metales Accesorios
Mo, Sb, As, (Te, Se, Hg)
Temperatura
200º C a 300º C
Tipo de fluido
PH casi neutro; reducido
Salinidad
0 a 13 wt% NaCl eq.
Fuente de fluidos
Dominantemente meteórico
Fuente de Azufre
Origen profundo; probablemente lixiviado de
Fuente de Plomo
Rocas precambrianas o fanerozoicas subyacentes a las volcánicas
Otras denominaciones
Adularia – Sericita
Resistencia de la roca intacta -
Poco competente ---------- UCS/sv <= 1 Competencia intermedia --------- UCS/sv < =1.5 Competencia alta ------- UCS/ > 1.5
Número de estructuras -
Muy fracturado ------ if/m > 21 ff/m Fracturado ------- ff/m > 12 - 20 ff/m Poco fracturado ------ f/mb >6 -11 f/m
Condición de las estructuras en la Unidad Cuerpo Mery -
Poco competente: estructuras sin relleno o con relleno con una resistencia menor a la roca intacta. Competente: estructuras sin relleno con superficie rugosa. Muy competente: estructuras con relleno de mayor resistencia que la roca intacta.
Condiciones Mineral Método Explotación
Competencia Roca Intacta Baja
Media
Alta
Sub level Stoping
2
2
1
Over cut and fill
1
3
4
Pared colgante Método de Explotación Sub level Stoping Over cut
Competencia Roca Intacta Espaciamiento de Fracturas Condición de estructuras B
M
A
MC
PE
E
ME
B
M
A
2
2
3
3
3
4
4
4
2
1
Según las características geomecánicas la pared pendiente UCS = 48 MPa, Profundidad = 200m P.E= 2.6ton/m3 RQD = 40% Espaciamiento: 14ff/m Condiciones estructuras: fracturas con relleno arcilloso (encontrándose cerca al mineral) Por razón a ello el rating de métodos a usar como galerías y en tajos son: Factores de peso Geometría del cuerpo mineralizado Condiciones geomecánicas del mineral Condición de la paredes
1 0.75 0.6
Análisis del Cuerpo Mery El análisis geomecánico de cuerpo Mery y su entorno físico se realiza en base a los mapeos geológico – estructurales, mapeo geomecánico para la caracterización del macizo rocoso y la obtención de parámetros geomecánicos. Los datos se tomaron en campo, por el método “Líneas de Detalle ” para cada dominio estructural en los “By Pass” y “Ventanas”, la estimación de parámetros de resistencia de la roca, los trabajos de gabinete empleando técnicas como la proyección estereográfica, métodos estadísticos para el análisis y representación de la información tomada en el campo. Estereografía de Cuerpo Mery y su Entorno. Se muestran los datos de discontinuidades geológicas tomados mediante mapeo geoestructural en la veta Almiranta y su entorno, estos datos se presentan en el formato “DIP/ DIP DIRECTION” para realizar el tratamiento estadístico respectivo mediante el programa “DIPS” para obtener la representación estereográfica de las discontinuidades y establecer las familias de discontinuidades en el área de estudio.
Tabla N° 1: Orientaciones estructurales en Cuerpo Mery y su entorno. Discontinuidades estructurales en el Cuerpo Mery y entorno físico N°
DIP
Dip
Cantidad
N°
DIP
Dip
Cantidad
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
70 74 61 62 77 84 71 80 79 85 82 79 67 57 69 70 76 85 66 80 75 80 77 80 85 80 66 74 72 62 80 88 74 62 80 46 78 76 82 81 79 59 62 75 83 87 85 82 75 78
160 31 101 268 190 257 301 241 254 334 346 344 290 109 287 227 248 165 260 252 250 252 221 281 184 235 284 175 189 235 327 142 177 174 178 30 236 85 32 332 258 42 326 337 22 236 144 266 263 146
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 2 2 2 2 1 3 1 1 3 2 1 3 3 3 3
51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100
76 75 66 80 83 60 74 62 80 46 78 76 82 81 79 59 62 75 83 87 85 71 80 79 85 82 79 67 57 69 85 82 75 78 76 75 66 66 80 75 80 77 80 85 80 66 74 72 62 80
167 342 295 16 330 158 31 174 178 30 236 85 32 332 258 42 326 337 22 236 144 301 241 254 334 346 344 290 109 287 144 266 263 146 167 342 295 260 252 250 252 221 281 184 235 284 175 189 235 327
2 2 2 3 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 3 1 1 1 1 4 1 1 3 1
Caracterización geomecánica del macizo rocoso en Cuerpo Mery y entorno Para la clasificar la estructura del macizo rocoso en el área, se ha utilizado el sistema de valoración del macizo rocoso RMR89 de Bieniawski. Para ello se registraron datos del mapeo geomecánico en campo mediante las cuales se realizaron en las estaciones distribuidas en las labores de Ventanas, Cruceros y By Pass, se tomó información referida a la orientación de discontinuidades, resistencia a la compresión uniaxial de la roca, grado de fracturamiento, espaciamiento entre discontinuidades, condición de fracturas (persistencia, apertura, rugosidad, relleno y alteración) y la forma de presencia del agua subterránea.
Resistencia a la Compresión Uniaxial: Se tomó datos en campo usando el martillo de Schmidt Se realizó pruebas de rebote para estimar la RCU de la roca, la que es requerida como un parámetro de entrada en el sistema de clasificación del macizo rocoso RMR y en los cálculos del método gráfico de estabilidad.
XC -755 SW - RESISTENCIA COMPRESION UNIAXIAL - MARTILLO SCHMIDT CAMPO
ES TACI ON GEOMECANI C A
TI PO DE NI
N C C
REBOTE IO
L
ESTRUCTURA
IN
CORRECCI ON
REBOTE CORREGI DO
DENS I DAD (Tn/m3)
UCS (Mpa)
A
1
Ande sita
0°
34
2.94
31.06
2.7
46.61
2
Ande sita
0°
40
2.7
37.30
2.7
63.21
3
Ande sita
0°
38
2.78
35.22
2.7
57.10
4
Ande sita
0°
35
2.9
32.10
2.7
49.04
5
Ande sita
0°
35
2.9
32.10
2.7
49.04
Ande sita
0°
41
2.65
38.35
2.7
66.53
Mineral
0°
25
3.25
21.75
3.2
36.88
Ande sita
0°
43
2.55
40.45
2.7
73.71
6
55.26
BP - 755 SE- RESISTENCIA COMPRESION UNIAXIAL - MARTILLO SCHMIDT CAMPO ESTACI ON
TI PO DE
GEOMECANI CA ESTRUCTURA
1
A N I L C N I
N O I C
REBOTE
CORRECCI ON
REBOTE CORREGIDO
DENS I DAD
(Tn/m3)
Andesi ta
0°
32
3.02
28.98
2.7
Andesi ta
0°
34
2.94
31.06
2.7
Mineral
0°
25
3.25
21.75
3.2
2
Andesi ta
0°
26
3.22
22.78
2.7
3
Andesi ta
0°
35
2.9
32.10
2.7
Andesi ta
0°
34
2.94
31.06
2.7
Mineral
-45°
30
0.8
29.20
3.2
Andesi ta
0°
31
3.06
27.94
2.7
Andesi ta
0°
35
2.9
32.10
2.7
Andesi ta
0°
41
2.65
38.35
2.7
Mineral
0°
35
2.9
32.10
3.2
Andesi ta
0°
43
2.55
40.45
2.7
Andesi ta
-45°
36
0.75
35.25
2.7
Andesi ta
0°
41
2.65
38.35
2.7
Mineral
0°
36
0.75
35.25
3.2
Andesi ta
0°
40
2.7
37.30
2.7
5
7
8
UCS (Mpa)
42.11 46.61 36.88 31.11 49.04 46.61 57.22 40.02 49.04 66.53 67.88 73.71 57.19 66.53 81.73 63.21 54.71
El resumen del análisis de la información mencionada para cada dominio estructural se dividió en dos labores directamente influyente al cuerpo Esperanza (Crucero y By Pass), las cuales se caracteriza y tipifica el macizo rocoso según el sistema de valoración RMR89 de Bieniawski y se muestra a continuación en las tablas.
CAPITULO V PRINCIPIOS GEOMECÁNICOS BASICOS 5.1
Principios Básicos del NATM El concepto usado por Terzaghi (NATM) representa el movimiento de la roca suelta en el túnel. Aunque el método NATM rechaza auto-definirse como una técnica específica, la cual consiste de algunos principios básicos:
Maximizar la resistencia inherente del macizo rocoso permitiendo su deformación, de tal manera que la roca sea su propio soporte.
Aplicación de una membrana fina de shotcrete para prevenir mayor deformación de la roca.
Medición y seguimiento sistemático de los movimientos en las labores en interior mina, para poder adecuarse
a las posibles medidas de apoyo adicionales
requeridas.
Apoyo flexible, con soportes activos que combinan shotcrete con fibra metálica.
La roca suelta dentro del área tendera a interrumpir
Durante la construcción del túnel habrá algún relajamiento de la cohesión de la formación rocosa arriba y en los lados del área a realizar.
El ancho B1 de la zona de la roca donde existe movimiento, dependerá de las características de la roca y de las dimensiones Ht y B del túnel. B1 = B + 0,5 Hp
CLASIFICACION DE TERZAGHI PARA TUNELES Soporte de marcos de acero de túneles en roca a una profundidad mayor a (1,5B+Ht)
ESTADO DE LA ROCA
CLASIFICACION DE TERZAGHI (1946) CARGA DE ROCA Hp (pies) OBSERVACIONES
Solo se necesita refuerzo escaso si hay desprendimiento o chasquido
Dura y masiva
0
Dura pero estratificada o esquistosa
0a 0.5B
Masiva Ligeramente fisurada
0 a 0.25B
Medianamente fracturada en bloques algo abiertos
0.25B a 0.35(B+Ht)
Muy fracturada en bloques y las fracturas abiertas
0.35 a 1.10 (B+Ht)
Poca o ninguna presion lateral
Totalmente trituradas pero quimicamente inalterada
1.10 (B+Ht)
Presiones laterales considerables. Los efectos de las infiltraciones hacia el piso del túnel requieren apoyo continuo para las partes bajas de los marcos o bien marco circulares.
Roca comprimida profundidad moderada
1.10 A 2.20 (B+Ht)
Roca comprimida a gran profundidad
2.10 a 4.50 (B+Ht)
Roca expansiva
Hasta 250 pies, independientemente del valor (B+Ht)
Refuerzo escaso más que nada como protección contra desprendimientos. La carga puede cambiar en forma errádica de un punto a otro No hay presión lateral
Considerablemente presion lateral. Se requiere plantilla apuntalada. Es preferible usar marcos circulares
Marcos circulares indispensables, shotcrete y refuerzos elásticos
5.2
Clasificación de Barton (NGI) ue desarrollada en el Instituto Geotécnico de Noruega (NGI) por Barton, Líen y Lunde y como en el caso del RMR está basado en varios cientos de túneles construidos en la minería. Este sistema consiste en dar terreno una serie de parámetros que sustituiremos en una fórmula para así formar un índice denominado Q que es con el que podremos diseñar el sostenimiento, la variación lineal, en este caso se da una variación exponencial. Donde: RQD (Rock Quality Designation) se basa en el porcentaje de sondeo recuperado en el que la roca se encuentra relativamente intacta.
RQD =
>
x 100 %
Jn: Es el número de diaclasas o fisuras Jr: Es un número que valora la rugosidad de las juntas Ja: Es el valor que indica el grado de alteración de las fisuras Jw: Es el factor de reducción de agua en las fisuras. SRF: Es el factor de reducción de esfuerzos que depende del estado tensional de la roca 5.3
Clasificación Bieniawsky (CSIR) Se basa en el comportamiento complejo del macizo rocoso en excavación la cual realiza la combinación del RQD y la influencia de los rellenos como arcillosos y de meteorización, el CSIR es propuesto para terrenos fisurados la cual proporciona una base para la compresión de las características del macizo facilitando la planeación y el diseño de estructuras.
Parámetros base de la clasificación
Para cumplir con los dos requisitos anteriores Bieniawski propuso originalmente que su “clasificación geomecánica” comprendiera los siguientes parámetros:
RQD (Índice de calidad de la roca), grado de la meteorización, resistencia a la comprensión uniaxial de la roca inalterada, distancia entre sí de fisuras y estratificación, orientaciones del rumbo y el buzamiento, Separación de las fisuras, continuidad de las
fisuras e infiltraciones de aguas subterráneas. Después de ajustes a la clasificación propuesta los cinco parámetros básicos utilizados para la cuantificación de las propiedades del macizo son:
1. Resistencia de la roca inalterada. Bieniawski emplea la clasificación de la resistencia a la compresión de la roca que proponen Deere y Miller. 2. RQD: Corresponde al índice de calidad de la roca propuesto por Deere.
3. Espaciamiento de fisuras. El término fisura se utiliza para toda clase de discontinuidades como las fisuras, fallas, planos de estratificación y otros planos de debilidad. 4. El estado de las fisuras. Este parámetro toma en cuenta la separación o abertura de las fisuras, su continuidad, la rugosidad de su superficie, el estado de las paredes (duras o blandas) y la presencia de relleno de las fisuras. 5. Condiciones del agua subterránea. Se hace un intento de medir la influencia del flujo de aguas subterráneas sobre la estabilidad de excavaciones en términos de caudal observado que penetra en la excavación.
Características de las discontinuidades
-
Orientación y número de discontinuidades (rumbo, buzamiento, familias)
-
Frecuencia o espaciado de las juntas (distancia entre dos discontinuidades)
-
Grado de apertura o separación (abierto o cerrado)
-
Extensión, persistencia, continuidad
-
Rugosidad o textura superficial (pulida, lisa o rugosa). Relleno (sin/con, tipo)
Valuación de Parámetros
La forma en la que los cinco parámetros han sido incorporados en la clasificación de Geomecánica CSIR para macizos fisurados se muestra en la Tabla 1.2 donde aparecen los rangos de valores para cada parámetro de acuerdo a las condiciones descritas para cada sector. Tabla 1.2 Clasificación geomecánica CSIR de macizos de roca fisurada
Tabla para ajustes: Use E para ajuste del parámetro 4.
Use F para ajuste del parámetro 5
r
Regula
Metodología propuesta para usar la clasificación CSIR
Para la determinación del tipo de soporte temporal a instalar en cada uno de los sectores de una excavación subterránea, en la etapa de diseño se pro pone el siguiente procedimiento:
1) Dibujar un corte transversal donde aparezca el eje del túnel, la cobertura composición geológica, fallas, discontinuidades, y parámetros conocidos.
(2) De acuerdo a las condiciones geológicas y parámetros geotécnicos se deben escoger sectores donde el comportamiento geotécnico sea similar.
(3) Seleccionar los parámetros representativos para cada uno de los sectores.
(4) De acuerdo a los parámetros de cada sector cuantificar y establecer las condiciones del macizo en cada sector, utilizando la Tabla 1.2.
(5) Determinar el tipo de soporte a instalar en cada sitio de acuerdo a la Tabla 1.3 y hacer un esquema con las condiciones típicas de cada sector .
Tabla 1.3 Soporte a instalar según el tipo de roca CSIR
De acuerdo al tipo de roca determinado por esta clasificación, es posible establecer el claro activo o longitud de la excavación que se puede dejar sin soporte durante un determinado tiempo, como se muestra en la Figura 1.5.
Figura 1.5 Relación entre el tiempo de sostén y la clasificación CSIR
En la determinación de sectores se debe tener en cuenta la cobertura, tipo de material, el estado del material a excavar, el rumbo y buzamiento de los estratos respecto al túnel, presencia de Fallas o discontinuidades y posición del nivel freático. Las fallas son sectores especiales y los portales de la excavación, también representan otros sectores.
5.4
Indice G.S.I (Geological Strength Index)
El GSI
es un
sistema para
la estimación de
las
propiedades
geomecánicas del macizo rocoso a partir de observaciones geológicas
de campo. Los dos parámetros que toma en cuenta esta clasificación son los siguientes: Estado de fr acturamiento
•
•
Calidad de las discontinuidades
Una vez realizadas las observaciones en campo, se escogió basados en la situación que está más cercana al estado del macizo en estudio, obteniendo de esta forma, el rango de valores del GSI, que se muestra a continuación:
GSI
=
55
El valor del índice
–
65
GSI puede ser
estimado directamente de
la
clasificación del GSI
GSI
=
0
RMR 89
−
5
(3.8)
Donde el RMR 89 se le asigna 15 puntos a la condición de aguas subterráneas y 0 puntos al ajuste0por orientación de las discontinuidades, a este valor se le denomina RMR 89 = 66 y se sustituye. De la tabla de GSI del RMR 89 = RMR089 = 66 y se sustituye en la ecuación 3.8 GSI GSI
=
=
66 61
−
5
El valor del índice GSI define la calidad del macizo rocoso como: Roca fr actur ada en bloques regulares (BR), muy bien entrelazado, consistiendo en bloques f or ma- dos
por tres
discontinuidades
es
familias de discontinuidades y la condición de las Regular
(R),
superficies
lisas,
moderadamente
meteorizadas o alteradas. Que está en el rango del GSI determinado por observaciones
de campo.
CAPITULO VI APLICACIÓN DEL MÉTODO DE SOSTENIMIENTO CON SHOTCRETE VÍA SECA 6.1
Antecedentes
El artículo científico de (KIM, LEE Y BAE, 2006), que tiene como título “La compresión y el adhesivo fortalezas deteriorada por componentes peligrosos en el agua subterránea ”, cuyo objetivo es evaluar el efecto de sulfato y ácido en el agua subterránea en las propiedades de ingeniería de Shotcrete proyectado con el tiempo. Como muestra de agua neutral, y prueba de resistencia a la compresión y tracción de ensayo se lleva a cabo mediante muestras; y se realiza resultado del deterioró de la solución de sulfato para la elaboración del Shotcrete (hormigón). El artículo científico de (LAMONTAGNE Y PIGEON ,1995), que tiene como título “La influencia de fibras de polipropileno y granulometría de los agregados en las propiedades del hormigón proyectado secomix” cuyo objetivo se basa en evaluar la utilización de fibras de polipropileno, para combinar con el Shotcrete (hormigón). La investigación conduce a mostrar la caracterización de agregado fino, y del grueso a fino proporción agregada a propiedades proyectadas. El trabajo se basa en el uso de las fibras de polipropileno (2 o 4kg/m3) la cual modifica significativamente la resistencia de la mecánica, la contracción por secado, la durabilidad de hielo/ sal del hormigón proyectado en una mezcla seca para mejorar la durabilidad y ser utilizado en el techo de las labores mineras subterráneas que poseen rocas incompetentes.
29
El artículo científico de (LAMONTAGNE Y PIGEON ,1995), que tiene como título “La influencia de fibras de polipropileno y granulometría de los agregados en las propiedades del hormigón proyectado secomix” cuyo objetivo se basa en evaluar la utilización de fibras de polipropileno, para combinar con el Shotcrete (hormigón). La investigación conduce a mostrar la caracterización de agregado fino, y del grueso a fino proporción agregada a propiedades proyectadas. El trabajo se basa en el uso de las fibras de polipropileno (2 o 4kg/m3) la cual modifica significativamente la resistencia de la mecánica, la contracción por secado, la durabilidad de hielo/ sal del hormigón proyectado en una mezcla seca para mejorar la durabilidad y ser utilizado en el techo de las labores mineras subterráneas que poseen rocas incompetentes. El artículo científico de (SHARP, 1990); que tiene como título “Hormigón proyectado por metro Apoyo V ” , cuyo objetivo consiste en la división de secciones que se trate con el diseño de revestimiento de hormigón proyectado de hormig ón con procesos de mezcla seca. La investigación conduce en la sección en el diseño de revestimiento de hormigón proyectado reforzado con fibras, y las historias de casos. El trabajo aporta brindar un proceso de mezcla de hormigón vía seca para uso de aditivos con fibras que se presentará en hormigón proyectado, la cual se basa en el reforzamiento del hormigón proyectado; la cual se basa en el sostenimiento que se utilizara en las labores subterráneas de mina o para el sostenimiento de túneles(ferroviarios, transporte). El artículo científico de (SAW, 2013), que tiene como título “Las pruebas de laboratorio de la fibra de acero reforzado de hormigón proyectado ”; cuyo objetivo es desarrollar ensayos de compresión uniaxial y triaxiales en fibra de acero reforzado de hormigón proyectado (SFRS). La investigación conduce en realizar pruebas de laboratorio que se desarrollará en máquinas de ensayo servo - controlado para obtener curvas completas que confirma la tensión – deformación de la resistencia del hormigón y las propiedades 30 SFRS. El mecánicas elásticas y plásticas de
trabajo aporta brindar la
El artículo científico de (YUN, CHOI Y YEON, 2015), que tiene como título “Efectos de los aditivos en las propiedades reológicas de alto rendimiento
húmedo mezclas de hormigón proyectado ”; cuyo objetivo es desarrollar un estudio de los efectos de diversos aditivos reológicos que es utilizado para el rendimiento seco de mezclas (HPWMS). La investigación conduce en utiliza mezclas y desarrollar un estudio del humo de sílice, que es un agente incorporado de aire (AEA), fibra sintética, polímero de polvo y el agente de viscosidad, la cual es usado mediante el reómetro de IBB para evaluar la capacidad de bombeo. El presente trabajo aporta en brindar de reducir la resistencia de flujo y la viscosidad par de HPWMS, mediante el impacto del humo de sílice que da lugar a un notable incremento de la resistencia de flujo; la cual mejora las propiedades reológicas del HPWMS para bombeo y sostenibilidad. (ANTONIO, 2013), realizó la investigación: “caracterización a cortante del shotcrete ”, en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos, Canales y partes UPC barcelonatech. El estudio aporta una metodología apropiada en la caracterización a cortante del hormigón proyectado. Además la metodología tiene las siguientes características:
La resistencia se determina a partir de ensayos llevados a cabo en distintos tiempos, los testigos tienen un diámetro de 75mm y una relación de altura – diámetro, mediante probeta.
Se dé termina la densidad y la porosidad para realizar el hormigón endurecido.
Parámetro de entalla, la cual su importancia es confinar el pasivo según la aplicación concentrada.
(CODERQUE, 2011), realizó la investigación: “Estudio Relativo a la Caracterización de aditivos acelerantes para Hormigón Proyectado por Vía 31 Seca ”, en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos, Canales y
caracterización de aditivos acelerantes para hormigón proyectado por vía húmeda. Además la metodología tiene las siguientes características:
Se basa en muestras de ensayos de pastas y morteros antes de trabajar el hormigón proyectado en vía seca.
El cemento es utilizado para la aceleración de aluminatos acelerantes susceptibles al cemento.
El trabajo de (LUCIANO, 2012) sobre Shotcrete: ¿Método por vía seca o vía húmeda?. Este estudio se basa según los estudios de Concreto lanzado, de acuerdo a la Federación Europea de Productores y Aplicados de Productos Especiales para Estructuras (EFNARC), y la incorporación de aditivos para el lanzado de Shotcrete como la fibra metálica, esto es diseñado mediante la viabilidad de servicios de agua, aire, iluminación y ventilación. En la actualidad el 30% de empresas peruanas utilizan el Shotcrete vía seca. Se asegura una preventiva capacidad mediante el uso de este sistema de Shotcrete vía húmeda con fibra metálica la cual brindara un mejor sostenimiento en las labores subterráneas y para poder proteger a los trabajadores (mejor seguridad). El trabajo de (GERSON, 2013) sobre Optimización de la logística del Shotcrete en operaciones subterráneas. Este estudio se basa en encontrar una opción técnico ya que la proyección del shotcrete por vía seca únicamente se premezclan los materiales secos, y la mezcla se transporta por mangueras mediante el aire comprimido; el agua necesaria para la hidratación es aplicada en la boquilla. Entre las ventajas del método figura el bajo costo de los equipos y la facilidad de transporte subterráneo y de la limpi eza. En este método por vía seca se puede agregar un acelerante bien en la boquilla (como un líquido) o bien se puede agregar al material seco como polvo antes del bombeo.
32
El trabajo de (BASF, 2007) sobre Aditivo para el control de hidratación. Este estudio se basa en los inconvenientes del uso de Shotcrete ya que es una pérdida de calidad, por el uso retardado de las mezclas secas, es que las vida de la mezcla de Shotcrete solo tiene minutos y en el mejor de los casos pocas horas, es que el tiempo de transporte y el almacenamiento eso hace que tenga poca vida el Shotcrete; por ello es necesario utilizar el aditivo de control de hidratación ya que logra adaptarse al shotcrete .proyectar al sistema de avance y controla la hidratación. Se asegura que mediante el uso de ello el shotcrete vía seca tendrá mayor vida y la hidratación seguirá y podrá controlar el cemento para un buen sostenimiento en las elaboraciones de túneles y labores mineras subterráneas y poder estabilizar el dosificado de las mezclas mediante la barrera protectora de este aditivo. 6.2
Proceso de Aplicación sistema de shotcrete vía seca En la proyección de shotcrete por vía seca únicamente se pre mezclan los materiales secos, y la mezcla se transporta por mangueras mediante aire comprimido; el agua necesaria para la hidratación es aplicada en la boquilla. En el método por vía seca se puede agregar un acelerante bien en la boquilla (como un líquido) o bien se puede agregar al material seco como polvo antes del bombeo. El método por vía seca genera una gran cantidad de polvo en el ambiente que conlleva riesgos para la salud de los operadores a largo plazo. Además, como la proyección manual para el operador es muy exigente físicamente, no se puede concentrar al 100% en la calidad del acabado. La tecnología de este tipo ha tenido un desarrollo lento a nivel mundial porque el diseño de la mezcla es netamente artesanal, es muy variable en su calidad al depender de la voluntad del operador la aplicación del agua y en consecuencia no mantiene constante su relación agua/cemento; el rebote irregular muestra una estructura de gradación discontinua y finalmente la compatibilidad entre los 38 diversos tipos de cemento y los acelerantes ultrarrápidos ha sido33 un problema de difícil solución.
Ventajas
6.3
Bajo costo de los equipos Facilidad de transporte subterráneo y de limpieza.
Propiedades del Shotcrete 6.3.1 Adherencia La adherencia está en función a condiciones en que la roca sea sólida, limpia y exenta de partes sueltas. La mezcla choca a la superficie del terreno a una velocidad elevada, y sella las irregularidades, las fisuras y los poros con la ayuda de las partículas más finas. A la vez, sobre el soporte se forma una fina capa de pasta de cemento, a la cual se incrustan los granos de áridos gruesos, efectuándose un puente o arco de adherencia. Su resistencia al desprendimiento viene dada por la variación de la naturaleza de la superficie de aplicación. Se admite que la adherencia del Shotcrete con la roca permite la absorción de los esfuerzos de flexión el cual se mejora con la adición de34fibras. La unión del shotcrete con la roca
debe ser lo más fuerte para evitar el proceso de aflojamiento y descompresión. 6.3.2 Porosidad El shotcrete proyectado generalmente contiene más cantidad de áridos finos y más cantidad de cemento que el shotcrete tradicional; por lo que la porosidad es menor; además la relación agua/ cemento es menor y la compacidad alta, se crean poros bajo forma de inclusiones de aire que no se comunican entre sí. La porosidad es creada por el aire encerrado durante el proceso de las operaciones. 6.3.3 Densidad Aparente Varían entre 2.0 a 2.5 Kg/cm
3
que dependen del contenido del
cemento y la porosidad. La experiencia demuestra que densidades menores a 2.2 kg/cm 3 , conducen a la obtención de resistencias menores a 250kg/cm 2 , mientras que densidades superiores a 2.25kg/cm3 permiten obtener resistencias superiores a 250kg/cm 2 . 6.3.4 Resistencia a la compresión En la mayor de las veces es ligeramente inferior a la de un shotcrete normal de granulometría 30mm, debido a la finura del shotcrete proyectado. Como dato estándar alcanza resistencias a compresión no inferiores a 300 kg/cm 2 a los 28 días. Sin embargo, una característica fundamental del shotcrete proyectado es la evolución de resistencias con el tiempo a causa de su contenido elevado de cemento, 500kg/cm 2 a los 12 meses y 600 kg/cm 2 a los 4 años. Algunas veces se ha reportado hasta 700kg/cm 2.
35
Por el uso de acelerantes de fragua se puede conseguir altos valores de resistencias en base a mezcla de concreto prevista para obtener a la compresión de 28 días. 6.3.5 Resistencia a la tracción La resistencia a la tracción tiene una variación entre 20 – 30 kg/cm2 a .los 28 días y 30 – 55 kg/cm2 a los 3 años. Esta resistencia mejora con la utilización con fibra metálica. 6.3.6 Permeabilidad En el caso del shotcrete proyectado alcanza valores entre 10 – 25 x 10 -10 m/s que es inferior al del shotcrete normal que es de 50 x 10 -10 m/s. La relación agua/cemento para el shotcrete lanzado esta comprendida entre 0.35 a 0.5 por peso, que es más baja que la mayoría de los valores de la mezcla empleadas pero se encuentran entre 0.06 –0.10 % 6.4
Requerimientos de la capa de shotcrete 6.4.1 Requerimientos mecánicos
Debe poseer resistencia a temprana edad suficiente para contrarrestar las tensiones o relajaciones particularmente en el último tramo excavado.
Obtener resistencias suficientes para equilibrar los esfuerzos de corte o cizalla y flexo-tracción, para de esa manera soportar eficazmente a las solicitaciones del “empuje de roca”.
6.4.2 Requerimientos físicos
36
Protección contra la meteorización la erosión o deterioro de la superficie rocosa del macizo rocoso atravesado.
Impedir el ingreso del aire y humedad en las aberturas de la roca.
Impedir que la variación de temperatura circundante a la excavación adquiera alto rango.
6.4.3 Requerimientos hidráulicos
Sellado de las aguas de infiltración a la labor.
Disminuir la rugosidad en las paredes de la labor, para mantener y controlar un régimen de pérdida de carga, cuando la excavación tiene por finalidad conducir agua.
6.4.4 Requerimientos químicos
Protección de la roca a la acción de aguas agresivas, humos, gases.
Impedir que la roca circundante a la excavación, sufra desestabilización por efectos de las aguas ácidas.
6.5
Procesos del Shotcrete 6.5.1 El fraguado El proceso de endurecimiento del hormigón en sus primeras etapas se describe excelentemente mediante la teoría de la percolación. El primero en estudiar estos hechos. El principio de la teoría de la percolación que se explica de la siguiente manera: en un sistema de partículas totalmente disperso, donde no existe ningún contacto entre los diferentes componentes del mismo. En el caso de la mezcla cementicia, inicialmente, la percolación 37
ocurre de forma aleatoria y aislada, con la formación de una ligazón
subconjuntos continuos de granos ligados mecánicamente y, por último, la aparición de caminos continuos de granos que unen partes del volumen. Este momento corresponde al paso del estado plástico al estado sólido. A partir de aquí, se manifiestan propiedades como el módulo de elasticidad, la resistencia a compresión, el coeficiente de Poisson, etc., que son parámetros característicos de los sólidos. Ahora es cuando el esqueleto formado puede presentar fisuración, al haberse completado el fraguado de la mezcla. En el hormigón, el fraguado se define como la aparición de rigidez en la masa fresca y precede a la ganancia de resistencia del hormigón, que continúa durante largo tiempo si se presentan las condiciones favorables el endurecimiento.
FACTORES QUE AFECTAN EL TIEMPO DE FRAGUADO DEL HORMIGON Los factores más importantes son: Temperatura/ clima. El aumento de la temperatura reduce el tiempo de fraguado. La disminución de la temperatura aumenta el tiempo de fraguado.
38
La hidratación parará cuando la temperatura esté cerca de 0°C. La exposición a la luz del sol y las condiciones ventosas también influencian el fraguado, especialmente en la superficie, en gran parte debido a los efectos de calor y refrigeración por evaporación. Relación agua - materiales cementicios (a/mc). Una relación a/c más baja
reduce
el
tiempo
de
fraguado.
Contenido
de
cemento/adiciones. El aumento del contenido de cemento reduce el tiempo de fraguado. Tipo de cemento. La química del cemento afectará fuertemente el tiempo de fraguado. Aditivos químicos. Los aditivos aceleradores y retardadores se utilizan deliberadamente para controlar el tiempo de fraguado. La sobredosis de algunos reductores de agua puede dar lugar al retraso del fraguado. Tiempo de adición de los aditivos. La adición retrasada de algunos reductores de agua puede evitar la rigidización temprana o el retraso. Mezclado. La mejora del mezclado influencia la hidratación mejorando la homogeneidad y la dispersión de los reactivos y, así, también acelera el fraguado
6.5.2 El endurecimiento En el cemento portland, el más frecuente empleado en los hormigones, el primer componente en reaccionar es el aluminato tricálcico con una duración rápida y corta (hasta 7-28 días). Después el silicato tricálcico, con una aportación inicial importante y continua durante bastante tiempo. A39continuación el silicato bicálcico con una
El fenómeno físico de endurecimiento no tiene fases definidas. El cemento está en polvo y sus partículas o granos se hidratan progresivamente, inicialmente por contacto del agua con la superficie de los granos, formándose algunos compuestos cristalinos y una gran parte de compuestos microcristalinos asimilables a coloides que forman una película en la superficie del grano.
6.5.3 Calor de hidratación El calor de hidratación es el calor que se genera por la reacción entre el cemento y el agua. La cantidad de calor generado depende, primariamente, de la composición química del cemento, siendo el C3Ay el C3S los compuestos más importantes para la evolución de calor. Relación agua-cemento, finura del cemento y temperatura de curado también son factores que intervienen. Un aumento de la finura, del contenido de cemento y de la temperatura de curado aumenta el calor de hidratación. Apesar del cemento portland poder liberar calor por muchos años, la tasa de generación de calor es mayor en las edades tempranas. Se genera una gran cantidad de calor en los tres primeros días, con la mayor tasa de liberación de calor normalmente ocurriendo a lo largo de las primeras 24 horas (Copeland y otros 1960). El calor de hidratación se ensaya según las normas ASTM C 186, COVENIN 0495, IRAM 1617, IRAM 1852,
40
NMX-C-151-ONNCCE, NTC 117, NTE 0199, NTP334.064, UNIT 326 o por calorímetro de conducción
Por otro lado, el aumento de la temperatura en el concreto causado por el calor de hidratación es frecuentemente beneficioso en clima frío, pues ayuda a mantener las temperaturas favorables para el curado. Finalmente, hay un tercer pico debido a la reacción renovada del aluminato tricálcico; su intensidad y localización dependen normalmente de la cantidad de aluminato tricálcico y de sulfato en el cemento. En el ensayo de calorimetría, las primeras medidas de calor se obtienen aproximadamente 7 minutos después de la mezcla de la pasta; como resultado, sólo se puede observar la inclinación descendente del primer pico El tercer pico (pico de C3Arenovado en la conversión de AFt para AFM) ocurre entre 12 y 90 horas. Esta información puede ser útil en el control del aumento de temperatura en el concreto masivo
41
Los cementos de moderado calor y bajo calor también están disponibles en las especificaciones de la ASTM C 595 (AASHTO M 240) y C 1157. El empleo de los materiales cementantes suplementarios es también una opción para reducir la subida de temperatura. 6.6
Materiales para el shotcrete 6.6.1 El cemento portland Es un aglomerante que se obtiene de la transformación de una materia prima que se pueda estar compuesto de una mezcla de caliza, arcilla y otros minerales o simplemente caliza. Esta materia prima finamente molida, es llevada a altas temperaturas (1400° a 1450° C), a través de un horno (rotatorio o vertical), de donde se obtiene un producto denominado CLINKER , el cual al molerse finamente con alrededor de 5% en peso de yeso, se obtiene el CEMENTO. Si el Clinker fuera molido finamente para ser utilizado como cemento, en el momento de su mezcla con el agua fraguaría casi de inmediato, por tal razón, en el momento de la molienda se le adiciona yeso natural con el objeto de retardar el fraguado.
42
6.6.2 El agua Es un elemento fundamental en la preparación del shotcrete lanzado estando relacionado con la resistencia, trabajabilidad, manchado, corrosión del refuerzo y propiedades del shotcrete endurecido. El agua debe ser limpia y estar libre de cantidades perjudiciales de aceite, ácidos, álcalis, sales, material orgánico y otras sustancias que puedan ser nocivas al shotcrete y acero. Se debe realizar análisis químico, donde no debe tener valores superiores a los máximos admisibles de las sustancias existentes. El agua para el curado debe tener las mismas características que el utilizado en la preparación. El agua de lanzado llega a una válvula instalada en la boquilla a través de una línea de alta presión y debe estar conectado directamente a la alimentación principal, esta presión debe ser apropiada para el equipo. 6.6.3 Áridos y agregados Llamados también áridos y constituyen alrededor del 75% en el volumen de una mezcla típica de shotcrete. Los utilizados en la preparación del shotcrete se obtendrán por la selección y clasificación de materiales naturales o procedentes de machaqueo o por una mezcla de ambos. Los agregados para el shotcrete, deberá cumplir con los requisitos de las especificaciones estándar ASTM C-33 u otras. Los agregados finos se le considera como tal a la arena de dimensiones reducidas y que pasan el tamiz 9.5mm (3/8”) agregado grueso o material
retenido en el tamiz 4.75mm (N°4) y puede ser grava, piedra chancada. Tamaño del estándar % que pasa mallas ASTM% 1/2 “
43
81 – 100
3/8”
65-80
N°4
48 -64
N°8
34 -54
N°16
20-36
N°50
7 -18
N°100
3-12
N°200
0-5
Pueden emplearse agregados que no cumplen con la granulometría citada siempre que en los ensayos previos se obtenga buenos resultados. Se debe tener en cuenta que las arenas más finas favorecen la retracción y las más gruesas incrementan el porcentaje de rebote. Estos agregados estarán compuestos de partículas limpias, duras, resistentes y de una calidad uniforme. Su forma redondeada o cúbica y contendrá menos del 15 % de partículas planas, delgadas, o alargadas. La arena o el agregado deberán mantenerse en su condición óptima cubriendo con lonas, permitiendo en esta forma que el viento circule sobre el montón pero impidiendo que el agua lo humedezca. El contenido máximo de la humedad en la arena deberá estar comprendido entre el 3% y el 6%. Si la arena es demasiada húmeda bloqueara la manguera y formara capas de mortero dentro de la aliva, pero si la arena al mezclarse, lo cual producirá una separación excesiva en la manguera y polvo excesivo en la zona de aplicación.
6.6.4 Aditivos Acelerantes
44
Son aquellos que se aceleran endureciendo o desarrollo de la resistencia inicial del shotcrete; la cual se clasifica en silicatos (líquido, dosificación del 5% - 8% del peso de cemento) y aluminatos (polvo y líquido, dosificación del 1- 6% del peso del cemento) Plastificados:
Fluidificantes reductores de agua se utiliza para poder disminuir la relación agua / cemento y facilitar la bombeabilidad durante el lanzado de shotcrete. Superfludificantes:
Para la producción de shotcrete y mortero fluido o como reductor de agua; estos son recientemente y efectivos de ingredientes reductores de agua de alto rango. También existen los de retardador de fraguado de alto alcance. Los niveles de dosis generalmente son más altos que los reductores o retardadores convencionales.
Impermeabilizante:
para
shotcrete
y
morteros
impermeabilizantes.
Estabilizadores: para estabilizar hormigones y morteros hasta 40 horas.
Reductores de rebote
Reductores de polvo
6.6.5 Adiciones La microsílica al ser adicionado al cemento reaccionan con la cal 45
libre del cemento que representa un 25% de la pasta y forma el
propias y que formará una pasta mucho más resistente a los esfuerzos físicos, además va ser más resistente a los ataques químicos y atmosféricas y en general puede ofrecer un grado de durabilidad mayor en los hormigones proyectados. 6.6.6 Fibras La adición de fibras a los morteros y hormigones mejora sus características notablemente. Aunque hay fibras de distintas naturaleza la cual divulgados, conocidos, y de mejor rendimientos son las metálicas. Además de la ventaja del acero de tener un módulo de elasticidad 10 veces superior al hormigón; están las cualidades de una buena adherencia de estas a la mezcla, un alto alargamiento de rotura y una gran facilidad de mezclado. La presencia de fibras metálicas en los morteros y hormigones proyectados hace que mejoren sus propiedades mecánicas haciendo que disminuye su fragilidad y aumenta su ductilidad después de la fisuración; aumenta la resistencia a la aparición y propagación de grietas; aumenta la resistencia a la tracción, al impacto y a la cizalladura; mejora el comportamiento a la flexotracción y aumenta la durabilidad.
Las formas más frecuentes de las fibras son:
Sección circular, rectas
Sección rectangular y ganchos en sus extremos
Sección redonda y dobles ganchos en sus extremos
Sección redonda y extremos aplastados
Sección rectangular y extremos ovalados y girados
La utilización más común es de fibras de 30 o 40 mm de 46
longitud y 0.50mm de diámetro.
El uso de las fibras se justifica porque aumenta la resistencia a la tracción, impiden el desarrollo de las grietas y fisuras producidas por contracción plástica, remplazan a la mallas electro soldadas, disminuye el rebote, mejoran la dureza y resistencia al impacto. En el caso de fibras de acero Dramix, en el mercado existe diferentes longitudes (20, 25, 30, 35, 40, 50,60mm) y en diferentes clases de l/d = (45, 65,80). Para la mina se recomienda utilizar fibras de acero Dramix RL 45/30BN que tiene la longitud de 30mm y 0.62mm de diámetro que da una relación de l/d = 48. 6.7 Procedimiento de Mezclado 6.7.1 Procedimiento de mezclado por vía seca Arena, grava, cemento y fibra metálica es colocado en el área de preparación por medio de un sistema de transporte. Cada uno de los compuestos mencionados anteriormente es colocado en la aliva para la cual se determina el peso de los materiales. Cuando se ha obtenido la cantidad correcta dentro de la aliva, el proceso de alimentación se realiza mediante la mezcladora, donde junto con una cantidad correcta de agua, son mezclados hasta obtener una mezcla homogénea. Al finalizar el mezclado ya elaborado se ejecuta el lanzado de shotcrete vía seca al ,macizo rocoso.
6.7.2 Procedimiento de aplicación 1) Se mezcla el cemento con el agua incluyendo, asegurando la homogeneidad, excluyendo los aditivos químicos plastificantes, retardantes. 2) Se realiza el vaciado de la mezcla dentro de las alivas, y dentro de la cámara del equipo de bombeo. 3) La mezcla es introducida dentro de la manguera de alimentación mediante desplazamiento al aire a presión. 4) Se adiciona el aditivo47 acelerante de fibras metálicas en la
5) Se impulsa mediante el aire comprimido el mezclado de alta velocidad contra la superficie de la pared rocosa. 6.8
Diseño de Shotcrete en Casapalca El cálculo de diseño de mezcla típica que debe obtenerse para lanzado de shotcrete por vía seca tiene las siguientes características. Diseño de mezcla para shotcrete Por metro cúbico de concreto -
10 bolsas de cemento
-
0.5 relación de agua/cemento
-
2.50% respecto al peso de cemento
PESO ESPECIFICOS DE LOS MATERIALES Ítem Kg/m3 Producto Cemento 3100 Andino Tipo V Agua 1000 Corriente Aditivo acelerante 1500 Gunitoc L33 Arena 2590 Cantera Fibra de acero 7850 Dramix
CALCULO DE VOLUMEN DE LOS MATERIALES Item Peso (kgs) Volumen (m3) Cemento 425 0.1371 Agua 212.5 0.2125 Aditivo Acelerante 10.6 0.0071 Arena 1578.6 0.6095 Fibra de acero 30 0.0038 Aire 0.03 VOLUMEN TOTAL 1
CALCULO48 DE MATERIALES EN TERRENO
Aditivo acelerante
1.87Gls 7.1Lts
Cálculo Volumen de Arena Cálculo Volumen de Arena Peso unitario suelto (kg/m3) Volumen de agregado suelto (m3) Pies cúbicos de arena (pie3/m3) Tandas por metro cubico (bls cem/m3) Pies cúbicos por tanda (pie3/bls cem) Número lampadas por pie cúbico Número lampadas por tanda Nota: 1 tanda de arena es para 1 bolsa de cemento
0.6095 1505 1.72 37.04 10 3.7 6 22.2
El diseño de shotcrete en la Compañía Minera Casapalca Unidad Cuerpo Mery se basa en la mezcla seca es agregada dentro de la tolva de alimentación y a medida que el rotor gira la mezcla va cayendo por gravedad dentro de la cámara del rotor. A medida que la cámara se llena con mezcla, otra comprime el aire. La mezcla se ubica en la cámara de salida, donde la acción del aire, a una presión de 6.3 bares, es lanzada a través de la manguera hacia la boquilla, donde el agua es adicionada. Las máquinas tipo rotor son las más usadas para el transporte del concreto lanzado. El material seco se sopla en porciones mediante aire comprimido y se transporta a la velocidad a través de manguera y tubos. Es acelerante es incorporado por un dosificador, mediante mangueras conectadas por separado, hasta la boquilla. La dosificación se sincroniza con la cantidad de concreto, de manera tal que el acelerante de fraguado se agregue constantemente. En el proceso de lanzado por vía seca pueden, remplazarse los acelerantes con cementos rápidos especiales, que fraguan en muy corto tiempo tras ser humedecidos con agua. 6.9
Ensayos y resultados 6.9.1 Pruebas con acelerantes a) Ensayos realizados 49
ENSAYOS REALIZADOS PARA PRUEBA DE ACELERANTES Muestras
Acelerante
Densidad kg/lt
Ph
M1
Siguanita L-65
1.36
10.5
M2
Siguanita L-26 R
1.48
12
M3
Siguanita L -65
1.37
10.5
M4
Siguanita L -26R
1.48
12
M5
Siguanita L -65
1.36
10.5
M6
Siguanita L -26R
1.48
12
M7
Siguanita L -26R
1.48
12
M8
Siguanita L- 65
1.36
10.5
M9
Siguanita L -26R
1.48
12
M10
Siguanita L -65
1.36
10.5
M11
Siguanita L -26R
1.48
12
M12
Siguanita L -65
1.36
10.5
M13
Siguanita L -26R
1.48
12
M14
Siguanita L -26R
1.48
12
M15
Siguanita L - 65
1.36
10.5
b) Resultados
Se obtiene que el Siguanita L -26R es más mejor que el Siguanita L -65 debido al ph 12 q posee.
El Siguanita L – 65 es especialmente indicado para trabajos de
shotcrete vía seca y trabaja a una
temperatura de 1°C 6.9.2 Pruebas de fragua a) Características de los aditivos empleados
El concreto se vuelve más denso que un concreto normal
Relación A/C es menor
Buena resistencia al ataque químico, a la abrasión y al desgaste
Gran adherencia al sustrato
Fácil colocación50y rendimiento de aplicación
Acelerante el lanzado de shotcrete vía seca.
b) Ensayos y resultados
TIPO DE DISEÑO
PRUEBAS DE LABORATORIO DEL FRAGUADO DE LAS PROBETAS CILINDRICAS DIII SC DIVSC D PATRON DI 3330 DII 3330 Relación Relación Relacion: 0.44 Relación 0.43 Relacion 0.43 0.43 0.43
DV SC Relación 0.43
DOSIFICACION EN EL AREA DE TRABAJO CANTIDAD DEL CEMENTO TIPO 1 AGREGADO SECO - GRAD 2 FIBRA METÁLICA AGUA
400kg
400kg
400kg
400kg
400kg
400kg
1595kg
1605kg
1606kg
1607kg
1608kg
1608kg
20.0kg
20.0kg
20.0kg
20.0kg
20.0kg
20.0kg
176lt
172lt
172lt
172lt
172lt
172lt
0.43
0.43
0.43
0.43
0.43
3.21kg (0.803%)
3.50 kg (0.875%)
3.50 kg (0.875%)
3.50 kg (0.875%)
3.50 kg (0.875%)
RELACION AGUA/ 0.44 CEMENTO SUPERPLASTI 3.00 kg (0.75%) FICANTE PARAMETRO S ESTADO FRESCO DE LA FRAGUA SLUMP (pulg)
8 3/4" Pulg
9 3/4" Pulg
9" 3/4 Pulg
10 3/4Pulg
10 Pulg
10 1/2 Pulg
TEMPERATUR A DEL CONCRETO (°C)
13.8
14.5
14
13.2
13.5
13
PARAMETRO DE ENDURECIMIENTO DEL FRAGUADO RESISTENCIA A 24 HR kg/cm2 RESISTENCIA A 3 DIAS kg/cm2 RESISTENCIA A 7 DIAS kg/cm2 RESISTENCIA A 28DIAS kg/cm2
98kg/cm2
104kg/cm2
70kg/cm2
79kg/cm2
126kg/cm2
100kg/cm2
288kg/cm2
241kg/cm2
254kg/cm2
174kg/cm2
256kg/cm2
250kg/cm2
360kg/cm2
337kg/cm2
372kg/cm2
279kg/cm2
346kg/cm2
340kg/cm2
420kg/cm2
412kg/cm2
401kg/cm2
423kg/cm2
422kg/cm2
389kg/cm2
51
En este tipo de prueba se aprecia los resultados obtenidos en el fraguado del diseño de la mezcla para el lanzado de shotcrete c) Promedio de resultados obtenidos en las pruebas Promedio de los resultados en las pruebas de fragua Resultado de soporte a la compresión axial EDAD DI 3330 Relación DII 3330 Relacion DIII SC Relación DIVSC Relación DV SC Relación Días 0.43 0.43 0.43 0.43 0.43 1 10.1 10.4 7 12.8 10 3 28.8 24.1 25.4 25.6 25 7 36 33.7 37.2 34.6 34 28 42 41.2 40.1 42.2 38.8
d) Pruebas para determinación de volumen de mezcla Para determinar la prueba de volumen se realiza el porcentaje de variación o asentamiento por hidratación
%ó ℎó =
− ℎ
Vst= Volumen seco total Vht = Volumen hidratado total
Volumen hidratado total
ℎ = (100% − 21.5%) 52
100
Volumen de rebote
Vr = Vrh Vr = Volumen de rebote Vrh = Volumen de rebote hidratado % de rebote real
% =
ℎ 100 ℎ
. Volumen del Concreto Colocado y Pegado
El volumen del concreto compacto y pegado no corresponde a la diferencia entre el volumen
de mezcla en seco y el del
material de rebote, pues la mezcla se compacta en el momento del impacto contra la superficie de aplicación y recibe el nombre de “factor de compactac ión”.
F.C. =
Vht -%D Vmc p
Vmcp =
Vht-%D F.C
F.C. =
factor de compactación
Vht
volumen 53 de mezcla hidratado total.
=
D
=
Vmcp =
desperdicios (% de rebote y mermas). volumen de mezcla compacto y pegado
La compactación depende de varios parámetros, entre ellos el surtido de los áridos y la velocidad de impacto del chorro, con los áridos ordinariamente utilizado y con una presión de aire a la entrada de la manguera de impulsión, de 6 Kg./cm.2, se obtiene un factor de compactación del orden 1.35.
Volumen de Oquedades Oquedades son todas las irregularidades y huecos fuertes del arco de un túnel minero. Vht
= Vmcp + Voh + Vrh + Vmh
Voh
= Vht – (Vmcp + Vrh + Vmh)
Voh = volumen de oquedades hidratada.
e) Comparativos económicos Datos técnicos: m2/hora
30
Espesor del shotcrete
2
54
pulg
COSTO DE SOSTENIMENTO CON SHOTCRETE VIA SECA COSTO MANO DE OBRA
N°Hh
Unidad
P.U. (U$$)
Total U$$
U$$/m2
U$$/m2
Preparación de Mezcla Ayudante Shotcretero
2 Hh
2.65
5.3
0.18
Ayudante Shotcretero
2 Hh
2.65
5.3
0.18
Shotcretero
1 Hh
2.83
2.83
0.09
Ayudante Shotcretero
1 Hh
2.65
2.65
0.09
Ayudante Shotcretero
1 Hh
2.65
2.65
0.09
Ingeniero de Guardia
0.2 Hh
6.94
1.39
0.05
Chofer
0.2 Hh
2.26
0.45
0.02
Lanzado de Mezcla
0.69
Total MATERIALES
Bolsas de cemento
Cantidad
Unidad
P.U (U$$)
Total U$$
U$$/m2
30 und
4.55
136.5
4.55
3 m3
5.6
16.8
0.56
Aditivo
12 gla
4.54
54.48
1.82
Fibra Metálica
15 kgrs
1.8
27
0.9
Arena
Total
U$$/m2
7.83 EQUIPOS
Cantidad
Unidad
P.U (U$$)
Total U$$
U$$/m2
Compresora IR 950
1 Hm
30
30
1
Aliva Labadora
1 Hm
6.2
6.2
0.21
Total
Implementos de Seguridad
U$$/m2
1.21
7.4 Hh
0.14
1.04
0.03
0.03
COSTOS INDIRECTOS Gastos Generales
10%
0.98
Total Costo U$$/m2
11.7
55
