Mundial/Región Europa:
Chile:
DCC- International DCC- International Underground Construction Group
MBT Chile
División de MBT (Suiza) S.A. Vulkanstrasse 110 8048 Zurich (Suiza) Teléf.: 41-1-438-2210 Fax: 41-1-4 41-1-438-2246 38-2246 Regi ó n Am Amé é rica:
Master Builders, Inc. Shotcrete & Underground Systems 23700 Chagrin Boulevard Cleveland, OH 44122-5554 EE. UU. Telé Tel 1-216-839-7500 6-839-7500 éf.: 1-21 F ax ax : 1 -2 -2 16 16 - 83 83 9 -8 -8 8 27 27 Equipos:
MEYCO MEY CO E quipment Divisi ón de MBT (Suiza) S.A. Divisió Hegmattenstrasse 24 8404 Winterthur (Suiza) Telé Tel 41-52-244-07 2-244-0700 éf.: 41-5 Fax:: 41 Fax 41-52-52-244244-070 0707 7
Nucleo Empresarial ENEA Rio Palena 9665 Pudahuel, Santiago de Chile Telé Tel 56-2-444 -444-976 -9760 0 éf.: 56-2 F ax ax : 5 6 -2 -2 - 44 44 44- 9 76 76 1 Colombia:
MBT Colombia Calle76 No.13 – 27 Bogotá Bogot á Telé Tel -217-3332 332 éf.: 57-1-217-3 Fax:: 57-1-3 Fax 1-32121-7513 7513 Ecuador:
MBT Concretesa Sosaya133 y Ave. Ave. America Americas s Casilla 2515. Quito Telé Tel 593-256256-601 6011 1 éf.: 593F ax ax : 5 9 33- 2 56 56 -9 -9 2 72 72 Peru:
MBT UNICON PERU
Mé xico:
Plácido Jimé Plá Jim énez 958 Lima Telé Tel 511-385-1905 385-1905 éf.: 511F ax ax : 5 11 11 -3 -3 8 55- 20 20 6 5
MBT Mé Mé xico
Venezu ela :
Blvd. M. Avila Camacho 80, 3er piso 53390 Naucalpá Naucalp án, Edo. de M éxico Telé Tel 52-55-21-22-2 1-22-2200 200 éf.: 52-55-2 Fax:: 52-5 Fax 52-55-2 5-21-2 1-22-22 2-2201 01 Arge ntina :
MBT Argentina S.A. España1651 Españ Colectora Oeste – Ruta Panamericana Km 47,5 Buenos Aires (1625) Telé Tel 54-34-88 4-88-43-43-3000 3000 éf: 54-3 Fax:: 54-3 Fax 54-34-88 4-88-43-43-2828 2828
MBT Venezuela C.C.Libertador PH-3 C. Negrin y Av. Los Jabillos. Caracas Telé Tel 2-762-5471/75 471/75 éf.: 582-212-762-5 Fax:: 582Fax 582-21 212-7 2-761-7 61-7001 001 E s p añ a ñ a:
Bettor MBT, S.A.
Brasil:
Duero, 23 Polí Pol gono Industrial Las Acacias í gono 28840 Mejorada del Campo (Madrid) Telé Tel 34-91-668-0900 -668-0900 éf.: 34-91 Fax:: 34-91-6 Fax 1-668-1 68-1732 732
MBT Brasil
Bettor MBT, S.A.
Avenida Firestone 581 09290-550 Santo André Andr é S ão Paulo Telé Tel éf.: 55-11-4478-3118 Fax:: 55Fax 55-11 11-447 -4479-03 9-0338 38
S A C O R E D E T R O P O S A R A P E T E R C T O H S
Basters 13 –15 08184 Palau de Plegamans (Barcelona) Telé Tel 34-93-862-0000 0000 éf.: 34-93-862F ax ax : 3 4 -9 -9 3 -8 -8 62 62 - 00 00 2 0
e y b l e M m o T
SHOTCRETE PARA SOPORTE DE ROCAS Tom Melbye Director MBT International Underground Construction Group
SHOTCRETE PARA SOPORTE DE ROCAS To m M e l b y e Director In t e r n a t i o n a l U n d e r g r o u n d C o n s t r u c t io n G r o u p , D e g u s s a C o n s t r u c t io n C h e m ic a l s
Coautores:
R o s s D im m o c k G e r e n t e t é c n ic o In t e r n a t i o n a l U n d e r g r o u n d C o n s t r u c t io n G r o u p , D e g u s s a C o n s t r u c t io n C h e m ic a l s
K n u t F. F. G a r s h o l In g e n i e r o g e o ló g i c o M .S c . In t e r n a t i o n a l U n d e r g r o u n d C o n s t r u c t io n G r o u p , D e g u s s a C o n s t r u c t io n C h e m ic a l s
IÍndice 1. 1. 1 1. 2 1. 3 1. 4
In t r o d u c c ió n ¿ Qué significa shotcrete? ¿ D ó nd e s e ut iliz a e l s h o t c re t e ? P rin c ip io s d e l s h o tc re t e D ife re re nc nc ia ia en en t re lo s d os os mé mtéo d o s
9 9 11 11 13
2 . 2. 1 2. 1. 1 2. 1. 2 2. 1. 3 2. 1. 4 2. 1. 5 2. 1. 6 2 .2 .2
M é t o d o p o r v ía s e c a C o m p o s ic ió n d e una m e z c la s e c a C o n t e n id o d e c e m e n t o R e la c ió n a g ua /c e m e n t a n t e C o n t e n id o d e h um e d a d n a t ura l Ad it ivo s Ad ic io n e s Fib ra s C o mp mp a ra ra c ió ió n e nt nt re re la la s m ez ez c la la s p re re p a ra ra d a s e n o b ra ra y el el m a t e ria l p re d o s ific a d o P ro ro b le le m a s d el el p ro c es es o d e p ro y e c ci ció n d e m e z c la la s s ec ec as as C o n c lus io n e s
15 15 15 15 16 16 18 18
M é t o d o p o r v ía h ú m e d a R a z o n e s d e l c a m b io a l m é t o d o p o r vía h úm e d a Ec o n o mía Am b ie nt e d e t ra b a jo C a lid a d Ap lic a c ió n Ve nt a ja s D e s ve n t a ja s R e s um e n d e l m é t o d o p o r vía h úm e d a D is e ño d e la me me z c la pa pa ra ra pr pro y e c c ió n p o r vía hú húm e d a Mic ro s ílic e Ventaj entajas as especiales del shotcr shotcrete ete con micr micros os líic e Ag re g a d o s Ad it ivo s : P la s t ific a n te s y s up e rp la s t ific a n te s Ac e le ra nt e s d e fra g ua d o t ra d ic io n a le s Comportami Compor tamiento ento quími químico co de los acelerantes acelerantes de alumi aluminato d ura n t e e l p ro c e s o d e h id ra t a c ión S il ilic a t o s s ó d ic ic o s m o d ifif ic ic a d o s /water glass C a m p o s d e a p lic a c ió n D o s ific a c io n e s t íp ic a s Ac e le le ra ra n te te s d e s h ot ot c re re te te li lib re re s d e álc a lis Fo rm a c ió n d e p o lvo
2 3 24 24 24 25 25 26 26 27 27 28 28 29 31 34
2. 3 2. 4
© C o p y r i g h t D e g u s s a C o n s t r u c t i o n C h e mi mi c a l s I n t e r n a t i o n a l Underground Construction Group, Unidad de Negocios de Degussa Construction Chemicals. 1994 Este documento es propiedad exclusiva de Degussa Construction Chemicals International Underground Construction Group, Unidad de Negocios, con domicilio soc ial en 8048 Zurich Zurich (Suiza), Vulk Vulkans ans trass e 110. Prohíbida la reproducción total o parcial de este documento mediante cualquier sistema, sin la autorización por escrito de Degussa Construction Chemicals International Underground Construction Group, Unidad de Negocios. El incumpli incumplimient miento o d e e sta prohíbici prohíbición ón puede conducir a a cciones legales. Ba sa do en la novena ed ición de la la versión original original inglés inglés «Spra yed Co ncrete for Rock S u p p o r t », 2 0 0 1 . S e g u n d a e d i c i ó n , e n e r o d e 2 0 0 2 , 2 0 0 0 c o p i a s .
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 .1.1 3. 5. 2 3. 5. 3 3. 5. 4 3.5.4.1 3.5 .4.1 3 .5 .5 .4 .4 .2 .2 3. 5. 4. 3 3. 5. 4. 4 3 .5 .5 .5 .5 3. 5. 5. 1
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
Terminologí a confusa: ¿«no cáustico»? ¿«libre de álcalis»? Acelerantes lí quidos 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 ví a húmeda 3.5.5.10 Resultados tí picos de pruebas de campo
4.3.5 4.3.6 4.4
Avances en la tecnologí a de aditivos para el shotcrete Sinopsis Delvo®crete Introducción Shotcrete fabricado por ví a húmeda Dosificación y transporte del shotcrete fabricado por ví a húmeda Control de la hidratación del cemento Propiedades Tiempos de fraguado Resistencias Rebote Economí a Resumen Casos de estudio Cur ad o int er no d el co nc ret o Antecedentes Curado interno del concreto con MEYCO® TCC735 Tecnologí a 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? Co mp or tam ie nt o d e la s f ib ras metálicas en el shotcrete Clases de fibras Fibras de vidrio
4. 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 1 01 102 103 104 105 105 106 108 109 109 110 111 111
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 guí as Ap tidu d del equ ipo de co nst rucc ión Diseño de la mezcla de shotcrete Nuevos aditivos acelerantes libres de álcali Estabilidad quí mica 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 ví a seca Principios de funcionamiento (MEYCO® Piccola, MEYCO® GM) Avances Sistemas integrados para aplicación manual Equipos/sistemas para la proyección por ví a húmeda Avances Sistemas integrados para aplicación manual Proyección mecanizada Br azos de pr oye cc ión 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 Ag uja de pe ne tr ación 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 p ermanentes de shotcrete para t úneles 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 Geometrí a 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 Mét odo SPT L de d os c apa s: pr ime ra y s eg und a ca pa 1 74 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 Reha bil it ación de túneles 185
10. 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5
Guí a de aplicación del shotcrete Preparación del substrato Técnicas de proyección generales Menos rebote, más calidad Proceso por ví a 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 economí a Ejemplo de cálculo Conclusiones
12.
Aplicaciones futuras del shotcrete
200
Referencias
202
Apéndice «Especificaciones particulares para el shotcrete»
198 198 199
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
Cement-Gun patentó el nombre «Gunite» para su mortero proyectado, un mortero que contení a 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 dí a todaví a se utiliza el nombre «gunita». En ciertas clasificaciones equivale al mortero proyectado, pero los lí mites de tamaño de grano varí an (según el paí s, la definición del lí mite 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 dí a esta técnica es un factor clave para el soporte de rocas en aplicaciones tales como: • Construcción de túneles • Operaciones mineras • Hidroeléctrica • Estabilizaci ón de taludes
Actualmente existen dos métodos de aplicación para el shotcrete: el proceso de ví a seca y el de ví a húmeda. Las primeras aplicaciones del shotcrete se hicieron mediante la ví a 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) • Mamposterí a y estabilización de muros de ladrillo
El uso del método por ví a 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 m étodos tradicionales de colocación, el shotcrete requiere ciertas caracterí sticas 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 (ví a húmeda y ví a seca) han mejorado de manera significativa. En un cap í tulo aparte se describirán los últimos avances de la tecnologí a.
¿Dónde se utiliza el shotcrete?
El shotcrete es el método de construcción del futuro debido a sus caracterí sticas de flexibilidad, rapidez y econom í a. ¡El único lí mite para su uso es la imaginación del hombre!
1 .3
P ri nc ip io s d el s ho tc re te
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
D if erenc ia en tre 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 ser án empleados en la industria de la construcción del futuro.
Figura 1: Proyecci ó n a control remoto Las regulaciones actuales imponen demandas tecnol ógicas 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 m ás 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 ví a seca, pero hoy en dí a la tendencia ha cambiado, especialmente en shotcrete para soporte de rocas. El método dominante del futuro será el de proyección por ví a húmeda debido a que ofrece un mejor ambiente de trabajo, mayor calidad, uniformidad y producción. Los desarrollos en la tecnologí a del shotcrete están relacionados con el proceso de ví a húmeda. Entre algunos ejemplos de desarrollos recientes figuran la adición de nuevas generaciones de adiciones (Delvo®crete, MEYCO® TCC, curador interno de concreto, microsí lice y fibras metálicas).
13
Capí tulo 2 Método por v ía seca 2.1
Composición de una mezcla seca
2.1.1
C o n te n i do d e c e m e n to
En la fabricación de la mezcla seca se utiliza usualmente una proporción de cementante que varí a 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 m áquina MEYCO® Piccola sobresale por su robustez, simpleza de operaci ó n y adaptabilidad a las condiciones espec í ficas de la obra. Actualmente, un 70 % del shotcrete se aplica mediante ví a húmeda, mientras que el 30 % restante se aplica por ví a seca. En algunas regiones del mundo predomina el método por ví a húmeda (casi 100 % en Escandinavia e Italia). Hoy en dí a se aplican en el mundo entero más de 8 millones de m 3 al año. 2.1.2
R e l a c ió n a g u a /c e m e n ta n te
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 ví a húmeda, en la proyección por ví a 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 varí a 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
C on te n id o d e hu m ed ad n atu ra l 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 construcci ón subterránea, la resistencia inicial del shotcrete es un factor esencial. Tal como es bien conocido en la tecnolog í a de construcción, acelerar la hidratación del cemento lleva a una reducción de la resistencia a los 28 dí as. Por tanto, para obtener resultados de alta calidad en el shotcrete, es crí tico 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 lí quidos 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 proyecci ón. 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 combinaci ón con aparatos de dosificación en polvo ayudan a obtener una mayor precisión. Para óptimos resultados se utilizan tornillos sinf í n 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 podrí an 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 lí quidos (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 lí quidos. 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 lí quidos 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 lí quidos 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
Adic iones A diferencia de los aditivos quí micos, el efecto de las adiciones es principalmente fí sico. Entre las más conocidas figuran los rellenos minerales conocidos como microsí lice (o humos de sí lice), cuya importancia ha crecido dentro de la industria. Estas sustancias finas (superficie de 20 – 35 m2 /g) con una proporción de SiO2 que varí a 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 microsí lice tiene otro efecto interesante en el método por ví a seca. Al añadirse de manera apropiada, su uso puede también conducir a una reducción del rebote hasta del 50 %. Elkem ha desarrollado una tecnologí a 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 energí a 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 relaci ón costo/rendimiento sea crí tica. 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 m áxima flexibilidad posible: debido a que pueden almacenarse durante largos perí odos 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 prehumidificaci ón), 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 lí quido Delvo®crete es añadido en el 19
2.3
momento de la aplicación (se agrega como un acelerante lí quido), 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 dí as, 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 ví a 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 alimentaci ó n 2 = Rotor 3 = Salida p = Aire comprimido
Figura 4: Principio de rotor de una m áquina de proyecci ó n en seco t í pica (MEYCO® GM, MEYCO® Piccola) Para mantener estos costos dentro de lí mites 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 prehumidificaci ón adecuada) y utilizando aglomerantes de polvo. También se pueden utilizar bombas de cebado de presi ón 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 ví a húmeda. Para reducir el rebote de una manera significativa, se pueden utilizar las nuevas clases de adiciones y aditivos mencionados anteriormente. El uso de microsí lice o de sistemas de control de la hidrataci ón 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 ví a 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 crí tica 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 dí a 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 economí a. El proceso en seco es el más antiguo de los dos procesos de proyección. Los continuos desarrollos en las maquinarias y en la tecnologí a de materiales han permitido ampliar su campo de aplicaci ón. 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.
Capí tulo 3 Método por v ía húmeda Tal como se mencionó anteriormente, este método es el único utilizado en Escandinavia, Italia y en un gran n úmero 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 ví a húmeda en Escandinavia, con consiguiente transformación total de su mercado de shotcrete: se pasó de 100 % de ví a seca a 100 % de ví a 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 sí lice y la fibra metálica al shotcrete fabricado por ví a húmeda. Sin duda alguna los noruegos llevan la delantera en la tecnolog í a del shotcrete fabricado por ví a húmeda, tanto en teorí a como en práctica. La mala fama de la técnica de proyección por ví a 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 tecnologí a de la industria del concreto actual, hoy en dí a es totalmente factible producir shotcrete por ví a húmeda que tenga una resistencia a la compresión a los 28 dí as superior a 60 MPa. Actualmente la tecnologí a 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 m étodos y los materiales utilizados en la construcción submarina.
22
23
3.1
El método por ví a húmeda mejoró significativamente las condiciones del ambiente de trabajo, trayendo consigo mayor seguridad para los trabajadores de túneles.
Razon es del cambio al método por v ía húmeda
No se sabe por qué el cambio sucedido en Escandinavia no ha ocurrido en ningún otro paí s. Quizás la explicación se encuentre analizando las condiciones noruegas.
3. 1. 1
E c onom í a La capacidad de proyección ha aumentado considerablemente desde los tiempos de maquinarias/robots de mezclado en seco, hasta los robots de ví a húmeda modernos. En un turno de 8 horas, la capacidad promedio de proyección del método por ví a húmeda es usualmente de 4 a 5 veces mayor que la del método por ví a seca. Si bien los costos de inversión en los nuevos robots de ví a húmeda aumentaron significativamente, al mismo tiempo hubo una caí da 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 tení a 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 ví a 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.
Am bie nte d e tra ba jo Los operarios del proceso por ví a seca estaban acostumbrados a trabajar en medio de una gran cantidad de polvo. Se emití a 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 Todaví a se piensa equivocadamente que el método por ví a húmeda no ofrece resultados de alta calidad. Lo cierto es que si se utilizan aditivos reductores de agua (baja relación agua/cementante) y microsí lice, se pueden obtener resistencias a la compresión de hasta 100 MPa aplicando shotcrete por ví a húmeda. A diferencia del método por ví a seca, el de ví a húmeda ofrece una calidad homogénea.
3. 1.4
Aplic ac i ó n 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 relaci ón agua/cementante (y por tanto, la calidad). La consistencia puede ser ajustada por medio de aditivos. Con el método de ví a 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 dí a 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 ví a 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 ví a 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. Todaví a 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 ví a húmeda en comparación con el de ví a 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 economí a. • 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 ví a 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 v ía húmeda
Diseño de la mezcla para proyección por v ía húmeda
Elementos necesarios para producir un buen shotcrete con el método por ví a húmeda: • Cemento • Microsí lice • Agregados • Aditivos • Acelerantes lí quidos 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 mencion ó 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 ví a húmeda; sin embargo, la diferencia puede controlarse con el uso de aditivos reductores de agua, microsí lice y fibras. 27
3. 5. 1
Mic ros í l ice
• • •
Se considera que el humo de sí lice (o «microsí lice» ) es una puzolana muy reactiva con alta capacidad para fijar iones extraños, particularmente álcalis.
En el shotcrete reforzado con fibra, la adición de microsí lice ofrece además: • Mayor facilidad de mezcla y distribuci ón de las fibras • Menos rebote de las fibras • Mejoramiento del enlace entre la matriz de cemento y las fibras
La microsí lice 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 microsí lice al shotcrete.
Al analizar las propiedades del concreto con microsí lice, es importante tener en cuenta que la microsí lice puede utilizarse de dos maneras: • como reemplazo del cemento, para reducir el contenido de cemento (usualmente por razones de economí a) • como adición para mejorar las propiedades del concreto, tanto fresco como endurecido.
Debido a la fineza de la microsí lice, 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 microsí lice.
3. 5.2 En el shotcrete se debe utilizar microsí lice 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 es pec iales del s hotc rete c on m ic ros í l ice Es posible producir shotcrete de calidad normal (es decir, 20 a 30 MPa de resistencia en cubos) sin necesidad de utilizar microsí lice. Sin embargo, la producción práctica y económica de materiales con resistencias mayores depende hasta cierto grado del uso de microsí lice. Desde el punto de vista técnico, se recomienda utilizar 5 – 10 % de microsí lice (del peso de cemento). El uso correcto de microsí lice 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
Mayor resistencia a la permeabilidad Menos rebote Mayor resistencia a los sulfatos
Agrega dos 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 distribuci ón del tamaño de grano y otras caracterí sticas sean lo más uniforme posibles. Particularmente importantes son la cantidad y las caracterí sticas 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 lí mite 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
Un contenido elevado de material fino produce un concreto cohesivo.
Tabla 1:
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 granulometrí a que esté dentro de los lí mites de la curva ideal. La insuficiencia del material fino puede compensarse utilizando más cemento o microsí lice; para compensar el exceso de dicho material, se aumenta la dosificaci ón de aditivos reductores de agua.
0.5
1.0
2.0
4.0
8.0
16.0
32.0
64.0
0 10
20 o d i n e t e r e j a t n e c r o P
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
Mí n. %
Durante el tamizado, almacenamiento y manejo de los agregados, deben eliminarse partí culas 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 distribuci ó n recomendadas para los agregados de shotcrete En lo posible, la cantidad de partí culas de 8 mm no debe exceder el 10 %; en caso contrario, las partí culas rebotarán durante la proyección sobre superficies duras (al comenzar la aplicación), o penetrarán el concreto ya colocado produciendo cavidades difí ciles de rellenar.
30
Aditivos : Plas tific antes y s uperplas tific antes Los aditivos tienen como finalidad lograr propiedades especí ficas en el concreto fresco y en el endurecido mediante el método de proyección por ví a 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 mamposterí a, para mejorar las caracterí sticas de moldeo de los materiales. ¡El hecho de que sus construcciones siguen aún de pie, indica que esta gente tení a razón! Si bien es cierto que los aditivos de concreto son m ás 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 funci ón de mejorar la trabajabilidad del concreto y su capacidad de cohesi ón 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 obtendrí a 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.
En los últimos años ha entrado al mercado una nueva generación de superplastificantes de alto rendimiento. Glenium TM es un hiperplastificante basado en un éter policarboxí lico modificado que proporciona una excepcional reducción del agua y una mayor retención de la trabajabilidad sin retardar el desarrollo de la resistencia inicial.
El método por ví a 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 tecnologí a 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.
Los ensayos fueron llevados a cabo con concreto de la misma trabajabilidad (asentamiento o mesa de asentamiento): sin aditivo
Hoy en dí a se utilizan con frecuencia combinaciones de lignosulfonato, naftaleno y melamina a fin de obtener el mejor concreto posible. Los naftalenos/melaminas (superplastificantes) son quí micamente 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 pelí cula lubricante en las superficies de la partí cula, el naftaleno carga eléctricamente las partí culas de cemento de forma tal que se repelen entre sí , y el lignosulfonato disminuye la tensión superficial del agua. Cuando las partí culas de cemento están bien dispersas, no sólo fluyen mejor sino que cubren mejor los agregados. El resultado es un concreto más resistente y t rabajable.
32
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
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/m 3 según los requisitos de calidad, relación agua/cementante, consistencia requerida, así como también el tipo de agregado y de cemento.
con LS
0.46
0.41
0.33
reducción de porosidad capilar Ekap (vol.-%), 28 dí as
7.5
6.5
5.6
3.5
Figura 6: Los resultados de un ensayo de concreto de 28 d í as con varios plastificantes de alto rango muestran que GleniumTM produce la menor porosidad capilar en comparaci ó n con los superplastificantes tradicionales. 33
Glenium TM es una molécula compleja y flexible compuesta de grupos funcionales de cadenas de diferentes longitudes. La mezcla de agua con cemento inicia una reacción quí mica (hidratación); el agua se absorbe en la superficie de las partí culas de cemento, y éstas se disuelven rápidamente. Las moléculas de GleniumTM son atraí das a la superficie de las partí culas 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 partí culas de cemento y consiguiente mejora de la trabajabilidad, a pesar del menor contenido de agua. Las moléculas de Glenium TM tienen cadenas laterales muy largas que también desarrollan impedimento estérico, mejorando adicionalmente la capacidad de las partí culas de cemento de mantener una distancia de separación entre sí y aumentando aún más el efecto de dispersión. Glenium TM actúa en un mecanismo de dos pasos que prolonga el tiempo de trabajabilidad del concreto fresco. Como parte de sus mecanismos de reacción quí mica, 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 mol écula. 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: • Altí sima 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 Glenium TM 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 ví a 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 lí quida 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 proyecci ón 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 lí quida 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 d í as al compararse con la del concreto sin acelerantes. Por tal motivo, es importante siempre mantener el consumo de acelerantes a un mí nimo (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 Com portam iento qu í m ico de los acelerantes de aluminato durante el proceso de hidrataci ó n El clí nquer 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 C 3 A (aluminato tricálcico), una de las cuatro fases importantes del clí nquer durante la formación de 35
etringita. La etringita rodea cada partí cula 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 hidrataci ón normal espontánea del cemento, y conduce a altas resistencias iniciales a la compresión. Las caracterí sticas normales de fraguado para los acelerantes de aluminato son: inicio del fraguado: < 60 segundos* final del fraguado: < 3,5 min utos* (* 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 tí picos 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. 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.
s o t u n i M
Comienzo del fraguado
Final del fraguado
Figura 7: Comportamiento del fraguado de un acelerante l í quido 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 t í p icas de ac elerantes de fraguado con base de a luminatos osc ilan entre 4 – 8 % del peso del material cem entante. 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 ac elerantes 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) A ñadir 6 g del acelerante especí fico 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: Caracterí sticas del cemento a utilizar C3 A 5–10 %, preferiblemente 7–9 % Blaine >3500, preferiblement e >4000 m2 /kg También depende de la mezcla de cenizas volantes, escoria y yeso.
3 . 5. 4 .2 S il ic a to s s ó dicos 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
3 . 5 .4 . 3 C a m po s de a pl ic a c i ó n
Nota: Recientemente se hizo una prueba en Noruega, en la cual se determinó la resistencia de un shotcrete por ví a húmeda hace 18 años; la resistencia obtenida fue la misma que tení a el material a los 28 dí as. Estos resultados contradicen las declaraciones de algunos: la calidad del concreto con acelerantes de silicato s ódico modificado no representa ningún problema hasta resistencias de 60 MPa.
• 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 Do s if ic a c i on e s t í p icas Silicatos sódicos modificados: 3 – 6 % por peso. Normalmente se recomienda no utilizar water glass (e incluso se prohí ben) 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 lí quidos. 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 podrí a 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 mayorí a de las aplicaciones que tienen una dosificaci ón razonable de silicatos (3 – 6 %) y un buen control de calidad, se aceptan p érdidas de resistencia menores que 20 %. En la práctica, las pérdidas oscilan entre 10 y 15 %. 40
Ac e l er a nte s de s h ot c re te li br es d e á lcalis Hoy en dí a, 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 prohí ben 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 proyecci ón por ví a seca constituyeron una razón importante del aumento del mercado del método por ví a 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 caí da 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 dí a, 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 dí a se reemplazan con acelerados lí quidos no cáusticos y libres de álcalis.
2. Proceso por ví a seca, con agregados naturalmente humidificados y cemento rápido Heidelberg Cronolith S, utilizando un equipo «mixer» Heidelberg con una m áquina de proyección SBS Tipo B1. 3. Método por ví a húmeda con cemento Kardstadt CEM I 42.5, acelerante lí quido 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 continuaci ón se exponen las intensidades relativas de polvo medidas en el entorno inmediato del obrero encargado de la proyección:
Debido a su compleja composición quí mica, 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, as í como también el mejoramiento de la calidad y del ambiente de trabajo.
Sistema de proyecci ó n 1) (ví a seca) 2) (ví a seca) 3) (ví a húmeda)
Intensidad de polvo relativa 12,6 6,6 3,3
Capacidad de proyecci ó n 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 F or ma c ió n de polvo La selección del método por ví a húmeda, así como la sustitución de acelerantes de aluminato cáusticos por productos lí quidos 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 ví a húmeda de alto rendimiento con MEYCO® SA160, un acelerante lí quido 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 l í quidos de silicato modificado, bajo las mismas condiciones (véase la fig. 8). Es difí cil encontrar comparaciones directas de mediciones de polvo en condiciones iguales en el mismo t únel. 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 aplicaci ón: 1. Proceso por ví a 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 lí quido no cáustico y libre de álcalis MEYCO® SA160 , salida ~15 m3 /h 10
20
Proceso por ví a seca
30 Método por ví a húmeda
40
50 Polvo total [mg/m3 de aire]
Figura 8: Datos de comparaci ó n de shotcrete fabricado por v í a seca y v í a hú meda con diferentes clases de acelerantes. Se muestran algunos ejemplos de mediciones de polvo realizadas en Escandinavia entre 1979 y 1998. La aplicaci ó n de mezclas hú medas en el T ú nel del Cabo Norte fue realizada bajo condiciones id é nticas (equipos, operarios, ventilaci ó n del t ú nel, capacidad de proyecci ó n y dise ño de mezcla). 43
3.5.5.2 Term inolog í a confusa: ¿« no c á ustico »? ¿« libre de á lcalis »? En el contexto de acelerantes de shotcrete, frecuentemente surge una confusión con los términos « no c áustico» con « libre de á lcalis». Esto se debe a que en el lenguaje profesional, el término « alcalino» tiene un significado dual: 1) Lí quido 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 á lcalis» deberí a significar exclusivamente que el acelerante no contiene cationes de álcalis (o que su contenido está por debajo del 1 %) (ver arriba, 2). El lí mite anterior se impone para reducir el riesgo de la reacción de cationes de álcalis con ciertos minerales sensibles (sí lice 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 podrí a afectar negativamente la matriz del shotcrete. La mayorí a de los acelerantes son sumamente básicos (pH 12 – 14), y pueden denominarse c áusticos, b á sicos, 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 Agre si vo/co rros ivo a : acero concreto ojos y piel órganosrespiratorios
7 neutro
14 básico ( alcalino)
No ag res ivo y
Agre si vo/cor ros ivo a: aluminio ojos y piel órganos respiratorios
no
corrosivo
Ejemplos de valores de pH: 1 4 ácido sulfúrico, ácido acético ácido clorhí drico
7 agua
10 soda, amoní aco
12 lechada de cemento
14 hidróxido sódico (soda cáustica)
3 . 5 .5 . 3 Ac e l er a nte s lí q uidos no c á usticos libres de á lcalis El uso cada vez mayor de acelerantes de shotcrete sin á lcalis 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 ) M en os pérdida de la resistencia final del shotcrete (normalmente con los acelerantes convencionales entre 15 y 50 %). La importancia de los puntos anteriores varí a 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 pa í s es . Ejem plos . En algunos paí ses, 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 paí ses impera el mismo uso del shotcrete, pero hasta ahora no hay legislaciones que prohí ban 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 lixiviaci ón de alto pH adicionales al cemento. En este caso, lo que se requiere es un acelerante no agresivo (sumamente irritante). Hay también paí ses en donde la mayorí a del shotcrete utilizado en la excavación de túneles es temporal desde el punto de vista de diseño. Sin embargo, en los mismos paí ses 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 t í pica I: En los casos anteriores, la situación práctica es directamente en el frente del túnel, en donde se hace la proyección en su mayorí a 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 ví a 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 tí pica 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 m ás 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 metodologí a 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 podrí a producirse en un número de pasos (en el frente y detrás, véase el capí tulo 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 olí mpica 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 lí quidos sin álcalis y no cáusticos tanto para el shotcrete 47
por ví a seca como por ví a húmeda. Los productos en polvo son muy difí ciles de utilizar en la práctica. Gracias a este avance, MBT se ha colocado al frente de la tecnologí a. A diferencia de la mayorí a 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 acab ó el peligro de quemaduras de la piel para los operarios. MEYCO ® S A160
MEYCO® S A16 1
MEYCO ® S A162
MEYCO ® S A170
Forma fí sica (1)
lí quido
lí quido
lí quido
lí quido
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 – 7 00 mm
3 00 – 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 clasific ado
no clasificado
no clasific ado
no clasific ado
Manejo (10)
sencillo
sencillo
sencillo
sencillo
Funciona con todo ti po 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 mí nimo 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 mí nima). 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 mayorí a de los cementos, incluso con tipos de cementos mezclados que no funcionan bien con todos los otros tipos de acelerantes.
3 . 5 .5 . 4 Ac e l er a nte s s i n á lcalis en polvo La metodologí a 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 l í quidos sin álcalis.
49
•
El método por ví a seca no es práctico en los proyectos modernos de construcción rápida de túneles, en donde el shotcrete fabricado por ví a 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 ME YC O® SA160/SA161/SA162/SA170: Uso se g ú n el tipo de cemento Los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170 pueden utilizarse con la mayorí a 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 cemen to de los ac elerantes de fraguado sin á lcalis (MEYCO® SA160/SA161/SA162/ SA170) En una pasta de cem ento: (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) A ñadir 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
Interpretaci ó n de los resultados: Inicio de fraguado <2 min <4 min Final de fraguado <5 min <8 min Clasificaci ón Bueno Aceptable
>4 min >8 min No aceptable
En un mortero (seg ú n 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) A ñadir 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) A ñadir 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 Interpretaci ó n 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 Clasificaci ón 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 proyecci ón de 5 – 7 cm en la pared o de 3 – 5 cm en clave. En la mayorí a 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 C om pa ra c ió n de las resistencias iniciales con acelerantes tradicionales de aluminato
Dise ñ o de la mezcla de c oncreto Cemento, tipo CEM I 42.5 (OPC) Agregados (0 – 8 mm) Rheobuild ® 1000 Estabilizador Delvo ®crete Relación agua/cementante Asentamiento Variación de la mes a de ase nt am ie nt o ( DI N)
425 kg 1713 kg 1,5 % 0,2 % 0,47– 0,48 20 cm 5 1 cm
Desarrollo de resistencia inicial MEYCO® SA160
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]). 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.
libre de álcalis
30 30
22,5
22.5 20,5 20.5 J3
10 10
a a P l a M a n i ó 11 c i n s e e r t s p i s m e o 0,1 1 R c 0.
J2
Dosificación 9%
Dosificación 6% 15 ’
30 ’
1h
2h
4h
6h
12 h
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
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
J2
10 10
a a P l a M a n i ó 11 c i n s e e r t s p i s m e o 1 R c 0.0,1
Dosificación 9%
Dosificación 6% 15 ’
30 ’
1h
2h
4h
8h
12h
1d
Figura 10: Desarrollo de la resistencia inicial, MEYCO ® SA160 a <+10°C
53
Resistencias a la compresi ó n (+20 °C)
acelerantes de aluminato)
Tipo y dosificación Resistencias medidas a: del acelerante 15’ 30’ 1h 4h
6h
12 h
24 h
MEYCO® SA162
3 – 7%
Ví a 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%
Ví a 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%
Ví a húmeda
Siempre en la boquilla
MEYCO® SA170
3 – 7%
Ví a seca
En la boquilla junto con el agua (al igual que se hace con los acelerantes de aluminato)
MEYCO® SA540/ 5–10 % SA545
Ví a 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 Do s if ic a c i ó n y equipos Pautas para la dosificaci ó n Produc to (en pes o)
Dos ific ac i ón Mé todo de proyec c i ó n
Lugar donde debe a ñ adirse
MEYCO® SA160
4 – 10%
Ví a húmeda
Preferiblemente en la boquilla
MEYCO® SA160
3 – 10%
Ví a seca
En la boquilla junto con el agua (al igual que se hace con los acelerantes de aluminato)
MEYCO® SA161
3 – 8%
Ví a húmeda
Preferiblemente en la boquilla
MEYCO® SA161
3 – 8%
Ví a 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 dosificaci ón, 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 Com patibilidad c on otros ac elerantes
Sistemas de dosificaci ó n para MEYCO SA160/SA161/ SA162
Evitar mezclar los productos MEYCO ® SA160/SA161/SA162/SA170 con otros acelerantes porque esto podrí a 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 est én 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)
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.
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 quí mica u obstrucciones del sistema.
Nota: No utilice filtros en la manguera de aspiraci ó n, porque se pueden formar obstrucciones. Evite aspirar directamente del fondo del tambor/recipiente. Cuando utilice los productos MEYCO ® SA160/SA161/ SA162, emplee s iempre equipos de dosificaci ó n hechos de acero inoxidable u otro material anticorrosivo.
56
3.5.5.9
Requisitos especiales para utilizar los productos MEYCO ® SA160/SA161/SA162/SA170 para proyecci ó n por v í a h ú meda Dise ñ o de mezcla • Contenido de cemento mí nimo: 400 kg, preferiblemente 450 kg • Cuando se utilicen para el método por ví a 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.
Alm ac en am ie nto de los pro du c tos ME YCO ® 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 dí as 43,5 MPa 28 dí as 50,0 MPa 100 dí as 58,0 MPa 120 dí as 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 d í as 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 t í p icos de pruebas de campo A) ME YCO ® SA145 Heathrow Express, Contratista C/D, Londres OPC 42.5N 355 kg/m3 Pasta de microsí lice 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 ≤0,40 Relación agua/cementante Adición en la boquilla: MEYCO® SA145 25 kg/m3 58
T ú nel Hü slen, 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 mes a de ase nt am ie nt o 56 cm Temperatura del aire +13°C Espesor aplicado 150 mm Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 5% Resistencia a la compresión: 12 h (Hilti) 24 h (Hilti) 3 dí as 7 dí as 28 dí as
18,5 MPa 23,5 MPa 45,0 MPa 49,0 MPa 61,0 MPa
T ú nel de Acceso Intermedio (NEAT), Sedrun, Suiza Cemento, CEM I 42.5 450 kg/m3 Pasta de microsí lice 50 kg/m3 Agregado (0 – 8 mm) 1644 kg/m3 ® Rheobuild T3 1,2 % 59
Relación agua/cementante Variación de la mes a de ase nt ami ent o Espesor aplicado Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 Rebote Resistencia a la compresión: 4h 12 h 1 dí a 7 dí as 28 dí as 91 dí as
0,47 53 cm 10 – 15 cm 5% <8 %
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 dí as
>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 direcci ón 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 t úneles de comunicación entre los dos canales a intervalos de 650 metros; los mismos contendrán instalaciones ferroviarias y servirán como ví as de escape de emergencia.
Ventilación del pozo
Tubería para el transporte pneumático de cemento
Transporte ferroviario Transportador para: ·
·
Profundidad ~800 m
·
Personal Material excavado Materiales de construcci ón
Contrapeso Planta de mezcla,silo s
Túnel principal Gotthard
Excavación Norte
Excavación Sur
Base del pozo
Transporte ferroviario
Figura 11: T ú nel Acceso Vertical Sedrun
Ac c es o Ver tic al NEAT, S ed ru n, S ui za Cemento CEM II A-S 32.5R Pasta de sí lice Elkem MS Arena (0 – 4 mm) Agregado grueso (4 – 8 mm) Glenium TM T803 (policarboxilato) MEYCO® TCC780 Relación agua/cementante Variación de la mesa de a se ntami en to
450 kg/m3 40 kg/m3 1032 kg/m3 688 kg/m3 5,4 kg/m3 2 kg/m3 ~0,43 > 62 c m (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 tuberí a de 6 pulg. Revestimiento: 7000 m3 de concreto vaciado in situ (espesor de capa: 30 cm) a través de una tuberí a de 6 pulg.
T ú nel S ieberg, 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 dí a 28 dí as
0,25 MPa 0,45 MPa 1,5 MPa 6 – 7 MPa 12 MPa 48 MPa
Uno de los primeros grandes proyectos austr í acos en donde se empleó el método por ví a húmeda. Volumen: 25 000 m3 de shotcrete. El Túnel Ferroviario Sieberg, con una longitud de 6,5 km, está ubicado en su mayorí a 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 ví a 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.
T ú nel Irlah ü ll, 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 dí as
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. Geologí a: 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 sí lice MEYCO® MS610 Agregado (0 – 8 mm) GleniumTM T801 (policarboxilato) Relación agua/cementante Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 Espesor aplicado Rebote
6,5 % 25 – 40 cm <8 %
Resistencia a la compresión: 24 h 2 dí as 3 dí as 7 dí as 28 dí as
>14 MPa >23 MPa >27 MPa >36 MPa 45 MPa
500 kg/m3 15 kg/m3 1650 kg/m3 0,8% 0,45
Requisitos de la obra: 10 000 m 3 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.
T ú nel La Palma de Santa Cruz, Palmas de Gran Canarias, E s p aña 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 dí as (núcleos in situ ) 28 dí as (núcleos in situ )
16 MPa 22 MPa >30 MPa
T ú nel North Downs, enlace ferroviario de t ú nel 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 Glenium TM 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 dí as 28 dí as 56 dí as
>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. Caracterí sticas: 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 metodologí a de shotcrete permanente.
T ú nel Ca bo Norte, Noruega Cemento, CEM I 52.5R Microsí lice 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 dí as
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 proyecci ón ininterrumpida del espesor necesario con alta capacidad. Utilizando el dise ño 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 dí as superior a la requerida de 30 MPa.
Es tac i ó n en el Teatro Nacional de Oslo, Noruega (Prueba. Contratista: Selmer ASA. Equipo: MEYCO® Roadrunner.) Cemento 52.5 500 kg/m3 Microsí lice 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 dí as
>4,5 MPa >9 MPa >50 MPa
T ú nel Sveti Marko, Eslovenia Cemento, PC-30-45S Arena de rí o (0 – 1 mm) Arena triturada (0 – 4 mm) Grava (4 – 8 mm) Glenium TM T801 (policarboxilato) Estabilizador Delvo ®crete Relación agua/cementante Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 Resistencia a la compresión: 24 h 28 dí as
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.
T ú nel Bolu, Proyecto Autopista en Anatolia, Turqu í a Cemento CEM 42.5 500 kg/m3 Humo de sí lice 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: MEYCO® SA160 35 kg/m3 Resistencia a la compresión: 4 h (Hilti) 8 h (Hilti) 12 h (Hilti) 24 h (núcleos in situ ) 3 dí as (núcleos in situ ) 7 dí as (núcleos in situ ) 28 dí as (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
Difí ciles condiciones del terreno: metasedimentos arcillosos y de cenizas de estructura basta; elevadí simo comportamiento plástico del suelo (inesperado); deformaciones más allá de los lí mites; zonas geológicas sobreforzadas desde el punto de vista tectónico (lo cual requiere altas resistencias iniciales y finales).
Proyecto de Cuele Vertical, Johannesburg, Re p ú blica Sudafricana Cemento CEM I 52.5 475 kg/m3 Cenizas volantes (Super Poz) 75 kg/m3 Humo de sí lice 38 kg/m3 Arena Stella (arena de rí o, 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 GleniumTM 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 dí as 3 dí as 7 dí as 28 dí as 56 dí as
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 preextraí do 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 difí cil; alta ductilidad para evitar fisuraci ón debida al movimiento del suelo; resistencia temprana para evitar estallidos por deformación.
Instalació n hidroel é ctrica Sondu Miriu, Kenia Bamburi OPC Tipo 1 422 kg/m3 Arena de rí o 966 kg/m3 Agregado triturado (5 – 10 mm) 655 kg/m3 67
Glenium TM T803 (policarboxilato) Relación agua/cementante Asentamiento Contenido de aire Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 Resistencia a la compresión: 24 h 3 dí as 28 dí as
0,45% <0,45 100 mm 5,5 % 7%
11,5 MPa 22 MPa 32 MPa
Difí cil acceso al sitio de la obra. Se utiliz ó shotcrete como revestimiento temporal previo al revestimiento de concreto final.
Es tac i ó n Quarry Bay, Contratista MTRC 6 80, Hong-Kong OPC 42.5 400 kg/m3 Microsí lice 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: MEYCO® SA160 6% Espesor aplicado 20 cm Resistencia a la compresión: 8h 1 dí a 7 dí as 28 dí as
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 ®.
T ú neles 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 dí as 28 dí as
25 MPa 38 – 40 MPa
Aproximadamente 8 km de perforación y voladura de túnel, con complejos laterales centrales, cross-overs y ampliaciones.
T ú neles Tai Lam, Contratista KCRC West Rail No. DB350, Hong-Kong OPC 345 kg/m3 Cenizas volantes 115 kg/m3 Arena de rí o 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 dí as
12 MPa 28 MPa
Contratista: Nishimatsu Construction Company Ltd. Túnel de ferrocarrill con doble ví a, usando MEYCO® Spraymobiles. Previstos 8000 m3 de concreto lanzado reforzado con fibra metálica Dramix ZP305.
Cavernas de Roca, Singapur Cemento Humo de sí lice 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 dí as (ensayos) 28 dí as (ensayos) 28 dí as (producción)
29 – 32 MPa 37 – 41 MPa 43 – 44 MPa
Auto pis ta Dal i Ba os ha n, Ch in a 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 dí as
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.
T ú neles Burnley y Domain, Melbourne City Link, Australia OPC 430 kg/m3 Microsí lice 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 dí a 18 MPa 7 dí as 34 MPa 28 dí as 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®.
T ú nel 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 ví a 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.
Aer opu er to Dul le s , t ú nel 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.
T ú nel 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, Bras il
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 dí as 7 dí as 28 dí as
19 MPa 24 MPa 32 MPa
T ú nel Buenavista, Villavicencio, Colombia OPC, CEM I 42.5 460 kg/m3 Microsí lice 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: MEYCO® SA160 6% Espesor aplicado 20 cm Resistencia a la compresión: 10 min 24 h 28 dí as
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 aplicaci ó n del shotcrete en el t ú nel Heliopolis del Metro de Belo Horizonte se hizo mediante un equipo Roadrunner de MEYCO®. 72
Proyecto de Planta Hidroel é ctrica 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 dí as (núcleos in situ )
T ú neles 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
Adición en la boquilla: MEYCO® SA161 Espesor aplicado Rebote
7,5 % 10 – 15 cm <5 %
Resistencia a la compresión: 30 min 28 dí as
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 Vi ña 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.
T ú nel Fr ø ya, Noru eg a Cemento, CEM 42.5 Microsí lice 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
7,5 % 15 – 25 cm 5 – 6 %
C) MEYCO® SA161
Resistencia a la compresión: 15 – 20 min 28 dí as (núcleos in situ )
1 MPa 47 MPa
Resistencia a la compresión: 4h 24 h 28 dí as
T ú nel L æ rdal, Norway Cemento, CEM 42.5 Microsí lice Agregado (0 – 8 mm) Fibra metálica Dramix 30/50 Glenium TM T803 MEYCO® TCC735 Relación agua/cementante Asentamiento 74
7% <5 %
>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
Túnel de carreteras submarino, caracterizado por zonas extremadamente difí ciles con fuertes entradas de agua y rocas deficientes. Longitud del túnel: 7 km.
Es tac i ó n de la Planta Nuclear Hamaoka, Jap ó n 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 dí as 28 dí as
>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.
Es tac i ó n de s ubterr á neo Shirogane Dai en Tokio, Jap ó n 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: MEYCO® SA161 8% Resistencia a la compresión: 3h 24 h 7 dí as 28 dí as
>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 T ú nel 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 dí as
>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 austrí acas (SpB 25 – 56/II/J2). Temperaturas invernales sumamente bajas. Excavación por perforación y voladura a través de roca í gnea, con desprendimientos de hasta 80 cm o más. Avance de la obra: 24 m3 por hora.
E) MEYCO® SA170 T ú nel 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 dí as 28 dí as
>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 tí pico 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 procedí a a realizar el bulonado y la perforación para la entibación. El desarrollo de la resistencia inicial debí a satisfacer los requisitos de la norma austrí aca J2.
T ú nel Strengen, Austria Cemento CEM II/A-S 42.5R Agregados: 0 – 4 mm triturados 4 – 8 mm triturados Glenium TM 51 (polycarboxilato) Relación agua/cementante Adición en la boquilla: MEYCO® SA170
5,5 %
Resistencia a la compresión: 6 min 1h 24 h 7 dí as 28 dí as
>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
tí pica 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 tí pico 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 deb í a satisfacer los requisitos de la norma austrí aca J2. El consumo general de acelerante podí a mantenerse bastante bajo.
T ú nel 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 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 dí as (núcleos in situ ) 28 dí as (núcleos in situ )
420 kg/m3 1750 kg/m3 0,6 – 0,7% 0,4% (trabajabilidad 7 h) <0,5 7,5 % (promedio)
>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
El túnel doble de ferrocarril de 2,4 km en el lado oeste del t únel Arlberg requirió de concreto lanzado de fraguado extremadamente rápido por la copiosas filtraciones de agua encontradas.
T ú nel 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 dí as
>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 dif í ciles, con arcillas de rápido deteriroro y gran ingreso de agua.
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
Las mezclas de shotcrete, (por v í a húmeda o por ví a 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 as í 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 d í a, 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 utilizaci ón de las mezclas de shotcrete (por v í a húmeda o seca) por per í odos hasta de 72 horas. De esa manera se eliminan muchos de los problemas asociados con la producci ón y aplicación de mezclas de shotcrete que frecuentemente enfrentan contratistas, productores de concreto e ingenieros. El sistema Delvo®crete para el control de la hidrataci ón brinda flexibilidad a la producci ón y a la proyecci ón de mezclas de concreto en grandes proyectos subterr áneos, y al mismo tiempo ofrece ahorros considerables a contratistas, propietarios y productores de concreto.
Mezcla seca estabilizada
Aire
MBT ha creado un sistema qu í mico para controlar la hidratación del cemento en mezclas de shotcrete (tanto por v í a 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
Int rod uc c ión Shotcrete activado
Activador
En 1987 MBT desarroll ó un sistema lí quido de dos componentes y sin cloruros para el control de la hidrataci ón de residuos de concreto. Este sistema, combinado con el reciclaje del agua de lavado de la mezcladora de concreto, permiti ó 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 hidrataci ón de cementos Portland hasta por 72 horas. El segundo componente es el activador Delvo®, un acelerante de hidrataci ón que se agrega al concreto estabilizado antes de colocarlo. En 1989 MBT adapt ó el sistema de control de hidrataci ón 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 hidrataci ón del cemento. Los activadores Delvo®crete son añadidos a la mezcla de shotcrete en la boquilla de 82
Figura 13: Control de hidrataci ó n en shotcrete fabricado por v a í seca
También garantiza que todo el shotcrete por la boquilla contenga un cemento «fresco» que haya sufrido poca o ninguna reacci ón de hidratación. Este sistema ha revolucionado el uso del shotcrete (en particular, el de v í a húmeda), y actualmente se utiliza en una gran cantidad de proyectos importantes en Europa, Am érica, el Medio Oriente y el Lejano Oriente.
83
mos resultados podr í an obtenerse cuando se emplean sistemas robóticos. Mezcla húmeda estabilizada
Hasta ahora, el uso del shotcrete por v í a húmeda ha significado tener que hacer concesiones entre varios factores tales como alto asentamiento, baja relaci ón agua/cementante, largo tiempo de utilización, fraguado r ápido 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, cre ándose as í costos adicionales innecesarios para el contratista, quien probablemente tiene un presupuesto calculado para cierta cantidad de rebote y sobreproyecci ón, 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 operaci ón de proyección en el frente de excavación.
Aire
Compresor
Bomba de v í a húmeda Bomba dosificadora
« Activador » lí quido
Activador
Boquilla
Shotcrete activado
Figura 14: Control de hidrataci ó n en shotcrete fabricado por v a í hú meda
4. 2. 2
Sh otc re te fab ric ad o p or v í a h ú meda El shotcrete fabricado por v í a húmeda tiene una ventaja indiscutible sobre el de ví a seca: es un concreto genuino, y como tal, la relaci ón agua/cementante se controla en la planta de concreto y no depende del operario de la boquilla. Las mezclas fabricadas por v í a húmeda tienen tambi én un tiempo de utilización de 1,5 a 2 horas, lo cual significa que la mezcla de concreto debe bombearse y lanzarse r ápidamente despu és 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 proyecci ón y aplicación, así como también los retrasos y las interrupciones debidas a desperfectos de las maquinarias en el frente de excavaci ón, gran parte del shotcrete utilizado ha pasado su tiempo l í mite de uso. En trabajos de soporte de rocas que utilicen shotcrete fabricado por ví a húmeda, es posible que un operario de boquilla experimentado, que realice la proyecci ón de un concreto fresco bien dise ñado y acelerado, logre un rebote aproximado del 10 al 15 por ciento. Los mis-
84
4. 2. 3
Dos ific ac i ó n y transporte del shotcrete fabricado por v í a h ú meda La dosificaci ón de mezclas de shotcrete no deber í a representar problema alguno para un abastecedor de concreto experimentado. Sin embargo, la situaci ón de la planta de concreto con respecto al sitio de la obra es un factor cr í tico. Muchas áreas urbanas proh í ben el establecimiento de plantas de concreto. Dado que la mayor í a de los grandes proyectos de infraestructura subterránea (tales como t úneles 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 utilizaci ón antes de que lleguen y se descarguen en la obra. A esto se suma el tiempo que toma el lanzar el shotcrete de un cami ón lleno del material, así como retrasos de otra í ndole. Con todo esto, es razonable suponer que mucho del shotcrete aplicado en proyectos de infraestructura urbana subterr ánea sea de calidad cuestionable.
85
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 m 3 /h con un robot de proyección, se requerirá un mí nimo de dos «trixers» (o incluso más en caso de que se est é trabajando en dos frentes al mismo tiempo).
Proceso acelerado con el acelerante MEYCO®
Manufactura
+
Entrega
+
Consumo
4. 2. 4
1–2 horas
Hidratación controlada por el estabilizador Delvo®crete
Manufactura
+
Entrega
El activador Delvo®crete S reactiva y acelera el proceso
Co ntr ol de la hi dr ata c i ó n del cemento Las caracterí sticas de fraguado, endurecimiento y resistencia del cemento Portland dependen de la reacci ón del cemento con agua. El producto de esta reacci ón es un material r í gido conocido como gel de hidrato de silicato de calcio (CSH, por sus siglas en ingl és).
+ Almacenamiento intermedio+ Consumo
3–72 horas
Figura 15: Delvo ®crete brinda una flexibilidad total para la aplicaci ó n del shotcrete.
Incluso si se han obtenido los permisos y el espacio para erigir una planta dosificadora de concreto para un proyecto subterr áneo urbano, muchas veces se imponen reglamentos ambientales locales que especifican horarios diurnos para el funcionamiento de tales plantas. En casos as í , es imposible conseguir abastecimientos nocturnos del shotcrete, lo cual es un problema para un proyecto que funcione 24 horas diarias, 7 d í as de la semana. Para resolver algunos de los problemas log í sticos asociados con el transporte de shotcrete a proyectos subterr áneos, 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 veh í culo transportador o cami ón, 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 excavaci ón subterránea. Al llegar, los materiales son dosificados y mezclados para producir una mezcla fresca de shotcrete (de v í a seca o h úmeda). 86
Figura 16: A medida que el shotcrete fragua, se produce la floculaci ó n de los hidratos formados por la hidrataci ó n del cemento.
Esta reacción, conocida como hidrataci ón, provoca una r ápida liberación de iones de calcio en la soluci ón, y forma una capa de gel de CSH alrededor de las partí culas de cemento. A medida que el concreto se fragua, se produce la floculaci ón de los hidratos formados por la hidratación del cemento; mediante este proceso, el concreto plástico y trabajable se convierte en un material rí gido (véase la fig. 16). El estabilizador Delvo®crete puede controlar la hidrataci ón de mezclas de cemento por per í odos hasta de 3 d í as. Este producto, una vez bien dispersado en una mezcla de concreto, controla la rapidez de hidratación del cemento formando un complejo de iones c álcicos en la superficie de las part í culas de cemento (v éase la fig. 17). 87
Hay dos manera de lograr las caracter í sticas 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 part í culas 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 hidrataci ó n del cemento formando una barrera protectora alrededor de las part í culas de cemento.
Delvo®crete tiene un doble papel: detiene la hidrataci ón del cemento formando una barrera protectora alrededor de part í culas puzolánicas, y actúa como un dispersante, previniendo as í 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 pl ástico durante unos cuantos minutos, varias horas, un d í a o incluso un par de d í as. Delvo®crete está compuesto de ácidos carboxí licos y sales y ácidos orgánicos con fósforo. Tiene la capacidad de detener la formaci ón de compuestos minerales de cemento, y reduce la rapidez de soluci ón del mineral de sulfato de calcio. Su acci ón difiere de la de los aditivos de retardo convencionales: a dosificaciones normales, la acci ón 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 instant áneo 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 perí odos hasta de 72 horas. Afecta principalmente la hidratación del C3S, pero puede también retardar la reacción inicial del C3 A 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 part í culas de cemento «estabi lizadas».
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 part í culas de cemento, comienza la hidrataci ó n, 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 aplicaci ón. Estos activadores eliminan la barrera protectora creada por el estabilizador Delvo ®crete, y a continuaci ón reaccionan con el cemento para producir el fraguado r ápido y las resistencias iniciales que normalmente se obtienen con el shotcrete acelerado.
4. 2. 5
Shotcrete fabricado por v í a s e c a Trockenspritzbeton (estabilizado yund activado) (stabilisiert aktiviert) 80
e Z
Pro pi ed ad es La calidad del shotcrete y del concreto con hidrataci ón controlada tratados con el sistema Delvo ®crete es igual o superior a la de los hormigones de referencia (de fabricaci ón convencional).
En la fig. 20 se muestran los tiempos de fraguado de shotcrete estabilizado y activado (fabricado por v í a húmeda y seca). Shotcrete fabricado por v í a h ú m e d a (stabilisiert aktiviert) (estabilizado und y activado) 80
Erstarrungsbeginn Inicio del fraguado Final del fraguado Erstarrungsende
) n 60 e ) d s ( n u o k p 40 e m S (
e i
t T i e Z
20 0
R Referencia efe re nz
1 % S1ta% bide li sa to r 2 %2S% ta bi deli sa to r
estabilizador
90
estabilizador
R Referencia e fe r en z
1% S li s at or 2 % 2S% ta bi 1 ta %bide deli s at or
estabilizador
estabilizador
Figura 20: Tiempos de fraguado de shotcrete con hidrataci ó n controlada
Los activadores Delvo®crete tienen doble funci ón: • neutralizan el efecto del estabilizador Delvo®crete en el cemento, y • aceleran la hidrataci ón del cemento para producir las caracter í sticas de fraguado r ápido y altas resistencias iniciales requeridas en aplicaciones de soporte de rocas. 4. 2. 7
Tie mp os de fra gu ad o
20 0
En aplicaciones de shotcrete, las mezclas de hidrataci ón 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 observ ó 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 despu és del perí odo de inducci ón. Se sugiere que esta capacidad de afectar la nucleaci ón y el crecimiento cristalino lleva a la formación de CH más fino y de hidratos de sili cato más densos, lo cual mejora las propiedades f í sicas de la pasta. 4. 2. 6
Erstarrungsbeginn Inicio del fraguado Erstarrungsende Final del fraguado
) n 60 e ) d s ( n u o k p 40 e m S ( e i t T i
Re s is ten c ia s Frecuentemente, la resistencia de rotura y la capacidad de carga del material para el soporte de rocas son propiedades menos importantes que las caracter í sticas de fraguado r ápido y alta resistencia inicial del material. Para lograr estas últimas caracterí sticas, se agregan acelerantes al shotcrete en la boquilla de proyecci ón; dichos acelerantes están hechos principalmente de sales de aluminato o silicatos y provocan pérdidas de resistencias a los 28 d í as (más pronunciadas con los aluminatos). En realidad, m ás que pérdida de resistencia, el problema es «un aumento de resistencia reducido después de 3 dí as», cuando se hace la comparaci ón con la misma mezcla sin acelerantes. Con el sistema de control de la hidrataci ón, el shotcrete activado y estabilizado puede tambi én exhibir ganancias inferiores o m í nimas de resistencia entre los dí as 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
ción y la dosificación de un ti po particular dependerán de la calidad del cemento, así como también de los requisitos de resistencia inicial y tiempo de fraguado.
Resistencia a la compresión (28 dí as): Mí nima requerida Promedio lograda Rebote medido (proyecci ón con robot)
Es interesante notar que la mezcla con hidrataci ón controlada requiere una dosificaci ón menor del activador Delvo®crete que la del acelerante que requerir í a una mezcla normal. La raz ón probable de ello es que, dado que el cemento en la mezcla estabilizada est á bien dispersado y a ún «fresco » (es decir, no hidratado), el activador Delvo®crete puede actuar con m ás 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 restringí an la operaci ón de plantas de concreto en el sitio de la obra a horarios de 07:00 a 22:00. Esto significaba que no se pod í a obtener mezclas de concreto despu és 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 seg ún los requerimientos especí ficos. Sin embargo, dados los satisfactorios resultados de reducci ón del rebote y mejoramiento de la calidad y la eficiencia, a la larga los contratistas optaron por utili zar mezclas de concreto estabilizado también durante las operaciones diurnas de proyecci ón (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.
Re bot e El rebote de las mezclas de shotcrete representa un gran costo agregado que deber í a mantenerse al mí nimo. En pruebas de campo efectuadas en Europa y Asia, se ha determinado que las mezclas de shotcrete con hidrataci ón controlada exhiben un rebote menor que las otras mezclas. Probablemente esto se deba a que en l as primeras no se ha producido una hidrataci ón previa del cemento, y por tanto continuamente se est án lanzando mezclas con cemento «fresco» sin importar el tiempo transcurrido entre el mezclado y la proyecci ón. Las mediciones realizadas en el proyecto del T únel 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 T ú nel Flurlinger de Suiza
Dise ñ o de mezcla (por m 3 ): 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
E c on om í a Calcular aproximadamente el costo de los varios componentes de un proyecto de infraestructura subterr ánea es una tarea difí cil 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 m 3 • Costo del shotcrete aplicado en el sitio, incluyendo exceso de rebote y proyecci ón (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 utilizaci ón • Costo de los residuos de shotcrete que tuvieron que eliminarse de bombas y mangueras durante la interrupci ón de las operaciones por desperfectos de las maquinarias o retrasos de otras í ndoles, 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 hab í a pasado su tiempo de utilización • Costo y mantenimiento de las bombas y equipos para el shotcrete • Costo y mantenimiento (por m 3 ) 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 est á demasiado lejos; costo de la operaci ón 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 dif í ciles 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 s ólo reducir el rebote, los ahorros para el contratista van mucho m ás allá que simplemente tener que comprar menos materiales. Al utilizar el sistema Delvo®crete para el control de la hidrataci ón en proyectos de shotcrete v í a 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 proyecci ón • 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 excavaci ón) Como se ve, el costo de utilizar el sistema Delvo®crete para el control de la hidrataci ón resulta ser sumamente bajo. La dosificaci ón del estabilizador Delvo®crete oscila entre 0,4 y 2,0 % (en peso). Esto estabilizará el cemento por un tiempos que var í an entre 3 a 4 horas y 3 d í as. Por supuesto, la dosificaci ón del estabilizador Delvo ®crete 94
depender á 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 dosificaci ón del acelerante que se requerirí a para la misma mezcla de shotcrete que no contuviera el estabilizador Delvo®crete. En la tabla 3 se muestra la comparaci ón de costos de shotcrete de ví a 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 serí a de US$ 121,10/0,8 = US$ 151,38/m 3. Para que el costo de colocaci ón del shotcrete con hidrataci ón controlada sea equivalente, el rebote de la mezcla deber í a ser (1 – 133,86/151,38) x 100 = 11 %. Tal como se demostr ó en el proyecto del Túnel Flurlinger, es posible lograr reducciones de rebote de esta magnitud (40 – 50 %). Tabla 3: Comparaci ó n de costos entre una mezcla de shotcrete convencional y una mezcla con hidrataci ó n controlada
Ma te ri al
C os to u ni ta ri o (US$)
Me z cl a c o nve nc i on al
Me z cl a c on h id ra ta c ió n c ontrolada
Cemento
$ 80/ton
420 kg
$ 33,60
420 kg
$ 33,60
Microsí lice
$ 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
E st abi li za do r Delvo®crete (0,6%)
$ 3 ,5 0/ 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 met álica (cuyo costo podr í a ser superior a US$ 200 por m 3 ), se requerirá una reducci ón incluso menor del rebote para compensar el costo del sistema de control de la hidrataci ón. Aparte de los ahorros conseguidos por la reducci ón del rebote, el contratista también ahorrará dinero porque se eliminar á el problema del shotcrete devuelto y de desecho, y se reducir á el tiempo de parada de las bombas de shotcrete y del personal. Adem ás, se garantizará que cada metro c úbico de shotcrete aplicado tenga una calidad uniforme. 4. 2. 10
Re s um en
• Las mezclas de shotcrete con hidrataci ón controlada son un recurso econ ómico y eficiente para utilizarse en aplicaciones de •
• • •
4. 2. 11
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 proyecci ón, se puede garantizar una calidad uniforme del shotcrete. Los ahorros logrados por la reducci ón del rebote pueden compensar los costos adicionales del sistema de hidrataci ón controlada. Los contratistas pueden lograr otros ahorros derivados de la reducci ón del rebote y eliminación del shotcrete de desecho. Las mezclas de shotcrete con hidrataci ón controlada permiten una mayor flexibilidad en la programación de las operaciones de proyecci ón en proyectos de construcci ón subterránea.
a) Shotcrete fabricado por v í a h ú meda con Delvo ®crete Metro de Atenas La parte de construcci ón civil del proyecto comprende 20 estaciones y 18 km de t úneles. A pesar de que los documentos iniciales especificaban el método de ví a seca, fue posible convencer a los contratistas de los beneficios del m étodo de ví a húmeda, por lo que ahora éste es el utilizado. Desde una planta de mezcla central el concreto se distribuye mediante mezcladoras a un n úmero de frentes. Los sitios individuales tienen un almacenamiento de reserva de concreto con una capacidad máxima de 12 m 3. 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 tuber í a hacia el pozo (normalmente con una profundidad de 20 m) hacia el t únel, 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 m 3 de shotcrete, seguido por una interrupci ón 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 m áximo de 2 % basado en el peso del cemento, es posible impedir la hidrataci ón 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 hidrataci ón.
Ca s os de es tud io La flexibilidad y ventajas resultantes del uso del shotcrete reforzado con fibras met álicas dependen del uso correcto de aditivos y del equipo apropiado. A continuación se exponen ejemplos que demuestran algunos de los aspectos m ás 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%), relaci ón 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 %, as í como también un desarrollo de la resistencia inicial superior al de los materiales clase J3 (según las normas austrí acas para el shotcrete), resistencia a las 24 horas de 13 – 17 MPa y resistencia a los 28 dí as de 30 MPa. 97
Metro de Londres, J ubilee Line, secc i ó n 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 m 3 hasta la bomba de concreto MEYCO ® Suprema, situada de 45 a 100 m detr ás de la boquilla, seg ún el avance alcanzado durante la semana. La secuencia normal de trabajo involucra la aplicación de 4 a 5 m 3 de shotcrete, seguido por una interrupci ón de 2 a 3 horas hasta la siguiente aplicaci ón. La limpieza del equipo se efectúa una vez a la semana u ocasionalmente en caso de obstrucciones. El t únel, de aproximadamente 5 m de di ámetro en la arcilla «London » ( London ), y el avance es de 30 m por semana, en 5 dí as de 24 horas. Clay 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 medici ón 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 d í as de 30 MPa. En este caso, es interesante hacer notar que no se utiliz ó Delvo®crete al principio, lo cual condujo a la p érdida de 2 m3 por cada 4 m3 de material proyectado, debido a la limpieza del equipo entre las fases de aplicaci ón. T ú nel Bianya, Espa ñ a 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 construcci ón de túneles: la planta de premezclado m ás cercana está a 25 km de la obra, y s ólo puede llegarse a ella a través de un antiguo paso por la monta ña. Se necesita más de hora y media para llegar al extremo norte, y 50 minutos para llegar al extremo sur del t únel. Durante un perí odo de 20 meses, los turnos diurnos y nocturnos continuos requieren un abastecimiento ininterrumpido, bajo condiciones climáticas adversas, de 15 000 metros c úbicos de shotcrete para la fortificaci ón. 98
Con el sistema Delvo®crete se estabilizan las mezclas de shotcrete en la planta por un tiempo promedio de 14 horas. Desde all í , se transportan al sitio de la obra y se almacenan hasta su utilizaci ón. Así se facilita la disponibilidad continua de mezclas frescas. Datos claves de la operaci ón con shotcrete: • Propiedades del concreto: 23 cm – Asentamiento inicial – Asentamiento después de 14 h 19 cm 1 dí a: – Resistencia a la compresión 3 dí as: 7 dí as: 28 dí as: <6 % • Rebote: 9 m3 /h • Salida: • Diseño de la mezcla (por m 3 ): Cemento 500 kg Micros í lice 16 kg Arena (0–1 mm) 150 kg Arena (0–6 mm) 1400 kg Grava (6–12 mm) 20 kg Rheobuild® 561 5 kg Estabilizador Delvo®crete 3–5 kg Fibras metálicas Dramix 40 kg Agua 225 kg Activador Delvo®crete S61 30 kg
9 MPa 18 MPa 27 MPa 40 MPa
Auto pis ta A-1 4, Pa r í s Para la construcción de un t únel doble subterráneo de carreteras de 1700 m en la ciudad de Par í s se utilizó el sistema Perforex, un nuevo método que consiste en el corte continuo de la b óveda del t únel. Los huecos son llenados inmediatamente con shotcrete de alta resistencia inicial antes de comenzar el trabajo de excavaci ón (usando la rozadora o road header ). Esta técnica es especialmente id ónea para el sistema de excavaci ón 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 proporcion ó la flexibilidad requerida para la colocaci ón 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
Estabilizador Delvo®crete Activador Delvo®crete
13 MPa, superior al valor requerido de 6 MPa; a las 7 horas se llegó a 17 MPa. • Menor tiempo de producci ón: se agilizó el trabajo de construcción de túneles en general
• El sistema de hidratación Delvo®crete fue igualmente fiable durante el frí o invierno de 1995/1996 y durante el verano siguiente.
• Diseño de la mezcla (por m 3 ): Cemento Agregado (0–8 mm) Agua Rheobuild® 2000 PF Estabilizador Delvo®crete Activador Delvo®crete S71
b) Proyecci ó n por v í a sec a 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)
T ú nel de alivio de aguas pluviales Brighton & Hove, Reino Unido La construcci ón 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 di ámetro excavado de 6 m, y estaba previsto perforarlo con una maquinaria TBM de frente completo. El revestimiento consistir í a en segmentos prefabricados de concreto.
T ú nel Ditschardt, Alemania El T únel Ditschardt es parte de la carretera alterna alrededor de la ciudad de Altenahr, 40 km al sur de Bonn. El t únel tiene un largo de 565 m, y la secci ón transversal excavada es de 145 m 2. La excavación del túnel fue efectuada mediante perforaci ón 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 v í a 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 seg ún los criterios de diseños de la técnica NATM. Debido a los requisitos ambientales de la zona – un área vacacional que funciona todo el a ño –, fue necesario evitar erigir una planta de concreto, y las mezclas de concreto que deb í an lanzarse a horarios diferentes de cada d í a tení an que ser transportadas desde una distancia de 12 km. A fi n 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 ví a seca, estabilizado con el estabilizador Delvo ®crete, fue aplicado mediante dos equipos MEYCO ® GM 90, y debido a las condiciones de humedad de los t úneles, se activó y aceleró con el activador Delvo®crete S51. Un concreto de unas 15 horas de mezclado hab í a 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 colocaci ón del shotcrete (sin p érdida de la calidad). • El concreto se mantuvo en una mezcladora de cami ón hasta el momento de la aplicaci ón. Se agregó un plastificante para aumentar el asentamiento en la mesa (DIN) a 50 cm. • Menor tiempo de producci ón: se agilizó el trabajo de construcción de túneles en general
• Diseño de la mezcla (por m 3 ): Cemento CEM I 32.5R Arena (0–2 mm) Agregado (2–8 mm) Agua Woerment FM21 (plastificante) 100
0,8% (por peso de cemento) 6,1% (por peso de cemento)
4 .3
380 kg 880 kg 980 kg 200 kg 0,5% (por peso de cemento)
C ur ad o in te rn o de l c on cr et o
Los túneles y otros proyectos de construcci ón subterránea tienen algunas de las peores condiciones para el curado debido a la continua ventilaci ón de aire (caliente o fr í o) hacia adentro del t únel. Puede
101
compararse con concreto expuesto a un área de mucho viento. Uno podrí a pensar que las condiciones de alta humedad (fugas de agua), ausencia de viento y de exposici ón al sol favorecerí an las condiciones de curado, pero esto no es as í . 4. 3. 1
La aplicaci ón 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 m últiples. En muchos pa í ses que tienen experiencia en shotcrete fabricado por v í a h úmeda (tales como Noruega y Suecia), y en proyectos importantes de todo el mundo, se exige curar el shotcrete con un agente de curado.
Ante c ed en tes El curado es uno de los trabajos b ásicos más importantes del shotcrete debido al gran contenido de agua y cemento de la mezcla, y la consiguiente alta contracci ón y alto potencial de fisuraci ón del concreto aplicado. Otra raz ón es el peligro del secado r ápido debido a la alta ventilación tan común en los t úneles, la rápida hidratación del shotcrete acelerado y la aplicaci ón en capas delgadas. Por tal motivo, el shotcrete deber í a 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 despu és de colocar el shotcrete. La mayor í a 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 compresi ón para garantizar resistencia a los ciclos de congelación/deshielo y resistencia qu í mica, 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 presi ón de aire y abundante agua (con una bomba de proyecci ón y boquilla, agregando aire en la boquilla). Otro problema que tienen los agentes de curado es que deben aplicarse rápidamente una vez finalizada la proyecci ón. Para procurar hacer un curado adecuado del shotcrete, los agentes de curado deben aplicarse dentro de los siguientes 15 a 20 minutos despu és de la proyecci ón. Debido al uso de acelerantes de fraguado, la hidrataci ón del shotcrete ocurre poco despu és de la proyecci ón (5 a 15 minutos). La hidratación y el aumento de temperatura se producen durante los primeros minutos y horas despu és de la aplicación del shotcrete, y es muy importante proteger el shotcrete en tal etapa cr í tica.
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 f ácil de aplicar y eliminar. Se ha utilizado en muchos pa í ses 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 comparaci ón con un shotcrete sin curado (curado al aire), reduce la contracci ón y el agrietamiento y asimismo ofrece una densidad y resistencia a la compresi ón a los 28 dí as ligeramente más altas. Estos resultados han sido confirmados a trav és 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 f áciles de aplicar, el curado del shotcrete es una tarea que consume tiempo y a menudo interfiere con otras operaciones del proceso de construcci ón de túneles. 4. 3. 2
Cu ra do in ter no de l c on c re to c on MEYC O® TCC735 MBT desarrolló un nuevo sistema para lograr un curado m ás eficaz y seguro del shotcrete fabricado por v í a húmeda, así como de los morteros de reparaci ón y del concreto. El curado interno del concreto consiste en a ñadir un aditivo especial al concreto/mortero durante la dosificaci ón, de la misma manera que se harí a con un aditivo normal. Este aditivo produce una barrera interna en el concreto, la cual facilita una hidrataci ón mejor y una mejor resistencia que la que ofrecen los agentes de curado convencionales. Esta nueva tecnolog í a 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 necesi dad de eliminar estos agentes de curado • Se garantiza el curado desde el principio de la hidrataci ón • No afecta la adherencia entre capas 103
Como consecuencia de este óptimo efecto de curado, mejoran todas las otras caracterí sticas del shotcrete: densidad, resistencia final, resistencia a los ciclos de congelaci ón/deshielo y resistencia qu í mica, estanqueidad, reducci ón del agrietamiento y de la contracci ón.
4. 3. 4
Ven taj as de l c ur ad o i nte rn o d el c on c re to c on MEYC O® TCC735
• No afecta la adherencia entre las capas. Siempre exhibe buena adherencia y seguridad
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 met álicas. Al combinarse con el sistema MEYCO® TCC consigue aumentar aun m ás 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
• Elimina la necesidad de operaciones adicionales para la aplicación de agentes de curado u otros m étodos 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 per í odo crí tico) • Menos fisuración • Mejor resistencia quí mica • Mejor estanqueidad (menos fisuraci ón) • Mejor resistencia a ciclos de congelaci ón/deshielo • Mejor trabajabilidad y facilidad de bombeo • Actúa independientemente de la calidad, granulometrí a y falta de
Tec no log í a c omprobada 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 d í as 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 comparaci ón con las aplicaciones sin curado: >100 % (de 0,5 – 0,7 a >2 MPa) • Mayor adherencia, en comparaci ón 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 comparaci ón con las aplicaciones de shotcrete tratado con agentes de curado externos • Mayor resistencia (28 dí as), en comparaci ón con las aplicaciones de shotcrete curado al aire o tratado con agentes de curado externos (>10%) • Ausencia de fisuras
104
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 producci ón y disminución del número de operaciones. ¡El tiempo es oro! • Mayor densidad • Mejores resistencias a la compresión finales 4. 3. 5
Una s olu c i ó n m á s segura y econ ó mica
• MEYCO® TCC735 ofrece ahorros generales de la operaci ón de proyecci ón, ya que elimina la necesidad de operaciones adicionales para la aplicación de componentes de curado y preparación del substrato; adem ás, solamente la reducci ón 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 aplicaci ón de agentes de curado en forma de un aditivo de concreto muy f ácil de añadir.
105
Tabla 4: Comparaci ó n de costos por m3 del curador interno de concreto, curado externo y curado hú medo de uno de los mayores proyectos llevados a cabo con shotcrete: > 200 000 m3 de shotcrete de alto requerimiento aplicado en un per í odo de 2 a ños y medio
Material Costos de aplicación Horas-hombre Maquinaria Costos de retiro Horas-hombre Maquinaria Total de c os tos (por m 3 )
Curado h ú medo
Curado externo
–
CHF
14,00
CHF
CHF CHF
1,00 18,00
– –
CHF 10,80 CHF 80,00 CHF 123,80
– –
CHF CHF
25,20 280,00
– – CHF 305,20
] a P M [ a i c n er e h d a e d a i c n e t s i s e R
Curador interno 15,00
Curado externo
CHF 15, 00
No cura do
Figura 22: Adherencia de testigos de sondeo de shotcrete en substratos de shotcrete (MPa) (ref.: resultados de pruebas de proyecci ó n, Instituto LPM)
Tabla 5: Dise ño de mezcla por m3
4. 3. 6
Re s ul tad os de la s pr ue ba s de pro yec c i ó n
] m c / g [ a u g a e d n ó i cr o s b A 2
No curado Curado externo 7 dí as
24 horas
1 hora
Curado externo
Curador interno
450 kg 22,5 kg 0,45 1700 kg 7,125 kg
450 kg 22,5 kg 0,45 1700 kg 7,125 kg 0,5 kg/m2
450 kg 22,5 kg 0,45 1700 kg
– –
– – –
9,5 kg 5 kg 1 kg
– – – – 8 % (por peso)
8 % (por peso)
–
–
–
23 cm
23 cm
5 % (por peso) 16 cm
10 min
Figura 21: Absorci ó n de agua desde un testigo de sondeo (g/cm 2 ) (ref.: M. Testor, tesis de posgrado en la Universidad de Innsbruck, 1997)
106
Cemento 42.5 II A-L Microsí lice Agua/cementante Arena 0 – 4 mm Rheobuild® 561 Masterkure® 112 Rheobuild® 3520 MEYCO® TCC735 Rheobuild® 700 MEYCO® SA430 MEYCO® TCC765 Asentamiento
Referenc ia (sin curado)
En estas pruebas se fijaron varios par ámetros para as í poder evaluar las verdaderas diferencias de las tres mezclas y sistemas.
107
Tabla 6: Comportamiento mec á nico de las tres mezclas Referenc ia (sin curado)
Curado externo
Curador interno
Capí tulo 5 Refuerzo de fibras
Resistencia a la flexión de probetas de concreto (10 x 10 x 40 cm), UNI 5133, MPa: – 7 dí as 5,9–6,1 3, 8 6, 0 28 dí as 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 dí as – – 28 dí as
1, 5
Adherencia en concreto (*), MPa: 7 dí as 0,92 (P) 28 dí as 1,02 (I) Fisuras en las probetas: 1 dí a Fisuras 7 dí as Fisuras 14 dí as Roturas 28 dí as
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 est á siendo desarrollado de forma acelerada gracias al mejoramiento de las nuevas fibras, tecnolog í a y t écnicas de aplicación del concreto.
Sin fisuras
Modulo estático de elasticidad, UNI 6556, MPa: – 7 dí as 17 150 – 28dí as 21 650
19 100 22 400
Modulo dinámico de elasticidad, MPa: 7 dí as 28 500 28 dí as 36 600
Figura 23: Fibras met á licas para refuerzo del shotcrete utilizado para soporte de rocas
39 400 39 600
El uso del shotcrete reforzado con fibras ha avanzado significativamente en los últimos años, contando ahora con la aprobaci ón 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 c úbico de shotcrete, favoreciendo as í su uso como material de construcci ón. 108
¿Por qué es necesario reforzar el concreto?
El concreto es un material fr ágil. Generalmente el concreto y el shotcrete se agrietan por razones estructurales, principalmente por la poca resistencia a tracci ón del material. El agrietamiento se produce como resultado de una combinaci ón 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 m ás importante el hecho de que son peque ñas y que pueden distribuirse uniformemente en toda la capa de concreto. Tal mejoramiento de la distribuci ón de las fisuras y de la tensi ón imparte viscosidad al concreto.
5.2
5.3
Clases de fibras
5 .3 .1
Fib ra s 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 mec ánicas del shotcrete est án principalmente determinadas por la relaci ón agua/cementante, el contenido de micros í lice, la dosis de acelerantes de shotcrete y las condiciones de curado. La funci ón 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 est á directamente relacionada con el tipo y la cantidad de las fibras met álicas. Se prefiere utilizar fibras largas (>25 mm) a dosis altas ( 40 – 75 kg/m3 ). Como efecto secundario, las fibras met álicas mejoran la resistencia final a la flexión del shotcrete. Los resultados de pruebas a gran escala han demostrado que despu és del endurecimiento, la resistencia a la flexión del shotcrete b ásico se reduce a la mitad debido a la contracci ón y a la aparici ón de microfisuras, mientras que el shotcrete reforzado con fibras met álicas mantiene su resistencia a la flexión. Los beneficios adicionales proporcionados por las fibras met álicas al shotcrete son: • mayor resistencia contra impactos • mayor resistencia a la abrasi ón y a la erosión • mayor estanqueidad y resistencia a la congelaci ón debido a la conversi ón de fisuras de contracción en microfisuras • mayor capacidad de adherencia, en comparaci ón con el shotcrete básico o reforzado con mallas electrosoldadas Las fibras metálicas no deben nunca utilizarse en el shotcrete por v í a seca debido al elevado rebote de las mismas ( >50 %).
5.3.2
Fibras sinté ticas Las fibras de pl ástico cortas son resistentes y duraderas (embebidas en el concreto), pero sus propiedades mec ánicas 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 s í son apropiadas en los casos en que únicamente se requiere refuerzo para contrarrestar la contracci ón (en particular, contracción plástica). Tienen un efecto muy eficiente en la distribución de microfisuras durante la fase pl ástica del endurecimiento, y también reducen el rebote en la proyecci ón por v í a húmeda. Adicionalmente, las fibras sintéticas tienen un efecto positivo en la resistencia al fuego del shotcrete. Recientemente, la compañí a Synthetic Industries de los Estados Unidos desarroll ó un nuevo tipo de fibra sint ética 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/m 3 de fibras metálicas de alta calidad. Este nuevo tipo de fibra sintética es de interés para la industria y puede ser una adici ón importante para aquellos casos en que no sea posible a ñadir 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 comparaci ó n hecho con fibras met á licas Harex (varias dosificaciones) y HPP 30 y 50 mm (varias dosificaciones) en Moab, Rep ú blica Sudafricana. De este ensayo se
110
111
Uno de los problemas principales que queda por resolver con las nuevas fibras HPP 152 es la p érdida 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 t écnica de proyecci ón (patrón diferente, distancia más corta al substrato y menos aire). Serí a interesante combinar una dosis baja de las nuevas fibras HPP 152 con fibras met álicas para obtener una ductilidad excelente, menos fisuras y rebotes y ahorro de costos debido al menor contenido de fibra por m 3.
concluy ó que 7,5 kg/m3 de HPP 50 proporcionan una mayor energ g í a de absorci ó n que 40 kg/m3 de las fibras met á licas ensayadas. Tipo de fibra y c onte nid o
Es pesor del panel (mm)
Absorción de energ í a 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
Fib ra s de c arbon o Desde el punto de vista técnico las fibras de carbono tienen propiedades mecánicas ideales para el soporte de rocas, pero en la pr áctica no se util izan debido a que son sumamente costosas.
329
5.3.4
Fibras met á licas
Éstas son las fibras m ás utilizadas para el shotcrete. Existen varias clases y calidades disponibles en el mercado, pero s ólo algunas reúnen los requisitos establecidos para el shotcrete reforzado con fibra. Los parámetros crí ticos de las fibras metálicas son: • Geometrí a • 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 mayor í a 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 tí picas que satisfacen los requisitos para el shotcrete reforzado con fibras met álicas.
5.4
*: Panel fisurado – los resultados no se incluyeron en los c álculos promedio. HX:Fibra metálica Harex, acero de calidad 1100 MPa
112
5 .3 .3
Ventajas técnicas de las fibras metálicas
El soporte de rocas est á acompañado de riesgos constantes de cargas inesperadas y deformaci ón. El mejor margen de seguridad posible se logra con una capa de shotcrete que tenga la m ás alta energí a de rotura (ductilidad) posible. 113
P a g r a C
La energí a de rotura de las fibras met álicas 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 a ños 80 por la Asociación de Investigación T écnica 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 secci ón
Sin refuerzo
Deformación
Figura 24: Las dos curvas muestran la deformaci ó n bajo la variaci ó n de la carga P aplicada a capas de shotcrete con o sin refuerzos de fibras met á licas de ú ltima generaci ó n. El á rea bajo la curva representa la energ í a de rotura.
Si bien la adición de fibras met álicas ordinarias duplica la energí a de rotura del shotcrete, con la adici ón de las nuevas fibras met álicas se alcanza un valor de energ í a 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 l as 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 gran í tica (véase la fig. 26). Al cabo de 28 d í as se aplicaron varias cargas (P) sobre el bloque del medio y se midi ó la deformación resultante. La prueba demuestra que la energ í a de rotura del shotcrete reforzado con fibra met álica es mucho mayor que la del shotcrete reforzado con mallas tradicionales.
Bloque de piedra graní tica
Bloque de piedra graní tica
Figura 26 Carga P (kN)
a i c n e r e h d a a l
a l l a m a l e d a l l a F
e d a r u t o R
Fibras metálicas
a r u t o r a a l l a F
Deformación Malla electrosoldada
Figura 25: Comparaci ó n de la energ í a de rotura de fibras met á licas y mallas electrosoldadas
114
En teorí a, 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 fr í o. Esta malla tiende a romperse bajo deformaciones muy peque ñas, 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 vací os detrás de las varillas, lo cual es un problema serio que a la larga conduce a corrosi ón del refuerzo y fi suración del concreto. El peligro que supone la calidad dudosa de la malla electrosoldada y el efecto de sombra puede evitarse f ácilmente utilizando el refuerzo 115
de fibra metálica, un material que se combina muy bien con el shotcrete fabricado por v í a húmeda y a un costo bajo. Esta caracter í stica es idónea para las aplicaciones de soporte de rocas, en las cuales se espera que siempre haya deformaci ón.
5.5
Ventajas económicas de las fibras metálicas
Al sustituir la malla electrosoldada con fibras metálicas se puede evitar una operaci ón peligrosa y dif í cil. 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 fi bras metálicas equivale a un 50 a 60 % del costo directo de la malla electrosoldada (mano de obra m ás 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). Tambi én se evitan los retrasos debidos a otras operaciones de construcci ón 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, as í como tambi én el efecto de «sombras» detrás de las mismas.
5.6
• Es necesario aumentar el asentamiento a un m í nimo de 10 – 14 cm. Esto significa que el shotcrete reforzado con fibra requiere una dosis mayor de superplastificantes. • Por razones de anclaje, el tama ño de las fibras debe ser al menos el doble del tama ño del agregado m áximo. • La fibra debe tener un largo no superior a 50 a 60 % del di ámetro de la manguera de bombeo. Esto significa que para la proyecci ón manual, la máxima longitud de fibra normal es 25 mm; para robots con mangueras de 65 mm, es posible hacer la proyecci ón con una longitud de fibra hasta de 40 mm. • Las fibras metálicas pueden a ñadirse antes, despu és o durante la dosificación de los materiales del concreto. Si se produce aglomeración de fibras (bolas), puede eliminarse modificando la secuencia de dosificaci ón.
Diseño de la mezcla para el shotcrete reforzado con fibra metálica
El diseño de la mezcla con fibras met álicas requiere experiencia te órica y práctica del personal. • El shotcrete reforzado con fibra requiere el uso de micros í lice y aditivos para poder contrarrestar los efectos negativos que tienen las fibras sobre el bombeo y la proyecci ón. Además, es importante que la adherencia entre el acero y la matriz de concreto sea óptima, lo cual se logra con la adición de microsí lice con un agregado de tama ño máximo de 8 mm. • Se requiere un contenido mayor de material fino (m í n. 400 kg). 116
Figura 27: Shotcrete moderno: proyecci ó n robótica con aditivos y fibras met á licas de alta tecnolog í a
117
construcción antes de la colocaci ón de un revestimiento secundario. Sin embargo, con el uso del shotcrete para revestimientos permanentes de doble capa (v éase el cap. 9 ), frecuentemen frecuentemente te se debe considerar la durabilidad del concreto para una vida prevista de 100 o más años.
Capí tulo tulo 6 Durabilidad del shotcrete
Tal como se observa en la fig. 28, la durabilidad de una estructura de shotcrete se establece por la combinaci ón de muchos par ámetros posibles. A diferencia de las construcciones tradicionales tradicionales con concreto colado, en las construcciones con shotcrete no basta con utilizar un dise ño correcto de mezcla y refuerzos. La raz ón 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 cap í tulo tulo se discuten brevemente los principales aspectos de durabilidad mostrados en la fig. 28.
Como resultado de la creciente aplicación del shotcrete como material de construcci ón permanente, han aumentado las exigencias impuestas a su durabilidad. El uso de acelerantes tradicionales en dosis elevadas provoca da ños serios del shotcrete, incluso poco tiempo después de su aplicación. La durabilidad del revestimiento de un t únel 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 exposici ón ambiental de la estructura tanto durante la construcción como durante la operación, dado que la degradaci ón estructural ocurre normalmente como resultado de cambios ambientales imprevistos.
6.1
Factores Diseño «construible»
Condiciones ambientales y de cargas futuras
Especificaciones modernas pertinentes
Control del sitio: monitorización y soluciones
Condiciones de terreno y agua alrededor de la estructura
humanos
Diseños construibles • Revisión del diseño por parte de terceros independientes • Revisión del diseño durante la construcción • Contr Control ol de calidad idad • Evalu Evaluació aciónn de riesgos • Compe Competenci tencia
EQUIPO DE DISEÑO Estructura de shotcrete duradero
Personal aplicador debidamente capacitado y adiestrado
¿Proyección por ví a húmeda o por ví a seca?
Método de curado Dise ño de mezcla correcto y selecci ón del aceleranteapropiado
Aplicación manual o por robot
• Monitorización torización,, revis revisión ión y puesta en práctica de medidas durante la construcción • Contr Control ol de calidad calidad • Evalu Evaluació aciónn de riesgos • Comp Competenc etencia ia • Sup Superv ervisi isión ón • Capac Capacitac itación ión
EQUIPO DE CONSTRUCCIÓN
Comunicación
• Secuencias de construcción • Refuerzos permanentes del terreno • Detalles les de uniones uniones e Factores intercapas estructurales • Expos Exposición ición física física y química • Propósito y vida prevista del túnel • Parámetros de diseño y efectos del tiempo • Refue Refuerzos rzos o fibras bras • Métodos de impermeabilización impermeabilización • Geom Geometría etría del del perfil • Propiedades edades del material
• • • •
Diseño de la mezcla Diseño mezcla Tipo de acele acelerante rante Métodos Méto dos de aplicación aplicación Selección y funcionamiento de los equipos • Méto Métodos dos de curad curadoo • Mejoramiento Mejoramientoss del terreno
Figura 28: Par á metros de durabilida durabilidad d de una estructura estructura de de shotcrete 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 t úneles de concreto ya existentes, los principales problemas de durabilidad no est án directamente rela-
118
119
cionados con el concreto mismo sino m ás bien con la corrosi ón de los refuerzos met álicos que no tienen suficiente protecci ón contra la humedad o las entradas de agua. Los t úneles de shotcrete permanente tienen otros problemas de durabilidad, particularmente en t érminos de proporcionar las propiedades requeridas del material tales como compactaci ón, y con los problemas de estabilidad asociados a la cantidad de aditivos utilizados por los modernos m étodos de aplicación de shotcrete por v í a húmeda. Tal como se resume en la fig. 29, para el dise ño y la construcción de revestimientos de t úneles de shotcrete duraderos se requiere emplear una metodolog í a de trabajo «holí stica stica». Fundamentalmente, el método de revestimiento de shotcrete depende en alto grado de las destrezas de los operarios durante la construcci ón, y por tanto el diseño debe reflejar tal dependencia considerando la «constructibilidad» de estas estructuras con shotcrete.
6.4
Diseño de la mezcla de shotcrete
El factor determinante de la durabilidad de una estructura de concreto es la permeabilidad: mientras m ás baja sea ésta, más se reducirá el acceso de sustancias potencialmente potencialmente nocivas y por ende se inhibirán reacciones quí micas micas en las que podr í a participar el concreto con consecuentes cambios qu í micos. micos. Para lograr disminuir la permeabilidad en las aplicaciones de shotcrete se debe procurar tener:
• Materiales de granulometr í a apropiada para el sistema de aplicación de shotcrete en cuanto a facilidad de bombeo, trabajabilidad, reducci ón del rebote y buena compactación (véase la fig. 5 • •
6.2
Espec if if ic ic ac aciones y g gu uí as as
En la industria del shotcrete es desafortunadamente muy com ún copiar y utilizar los mismos documentos de especificaciones y gu í as as año tras año, sin que se haga una investigaci ón a fondo sobre los nuevos avances en el campo del shotcrete. El reciente aumento en el uso de shotcrete por v í a húmeda se ha convertido en una oportunidad para reexaminar las especificaciones, y actualmente se est án publicando nuevos documentos que reflejan los últimos avances en la tecnologí a del shotcrete (tal como la Especificaci ón Europea del Shotcrete [1996]) emitida por la EFNARC, véase el cap. 10.5 ).
•
• 6.3 6. 3
Apti Ap titu tud d del del eq equi uipo po de co cons nstr truc ucci ción
• Los integrantes del equipo de construcci ón deben estar enpleno conocimiento de los elementos de dise ño necesarios para lograr la seguridad y durabilidad de la estructura del t únel. A fin de garantizar la calidad del revestimiento de concreto, los sistemas de revisión de calidad deben ser adecuados para controlar la producci ón. Es crí titico mantener una comunicaci ón constante entre los equipos de diseño y de construcci ón, desde la etapa de predise ño hasta la finalización del proyecto, para as í asegurarse de poner en marcha los procesos antes mencionados (para mayor informaci ón, véase el cap. 10.5 ).
•
• 120
del cap. 3.5.2 ). Se deben efectuar ensayos ensayos de todos todos los agregados para determinar el riesgo de reacciones álcali-sí lice. lice. 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 agua/cementan te entre 0,35 y 0,4, al mismo tiempo que mantienen un asentamiento de 20 cm. Materiales puzol ánicos tales como micros í lice lice (humos de s í lice) lice) y cenizas volantes. La micros í lice lice tiene un efecto definido de relleno en cuanto a que distribuye los productos de hidrataci ón 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 congelaci ón-deshielo. Control de microfisuración a 0,2 mm utilizando refuerzos metálicos en vez de mallas, lo cual promueve una recuperaci ón 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 como tambi én lograr una reducción significativa de lixiviados, menos rebote y polvo, y por sobretodo, condiciones de trabajo mejores y m ás seguras. Aditivos de control de la hidratación para evitar la hidrataci ón prematura de la mezcla antes de que se aplique al substrato. La prehidratación puede causar efectos sumamente perjudiciales a las propiedades f í sicas sicas del shotcrete endurecido, tales como reducci ón en la resistencia y la densidad y aumento de la permeabilidad. Métodos de curado aplicables (v éase el cap. 4.3 ). 121
l a e d d a d ) e i t l s n i / e b i a m c e ( i f a e m r u o e g C p a
e ) s d / e e 2 t m ( d n e n o i ó n c i i e f g e s u í f o i x C d o
o r u r o l c e l e t d e d n e e t i n n ) ó c e i i s f s / e r a f u 2 o p i m C a d (
lice en cemento OPC proporcio proporciona na una • El uso de 6 % de micros í lice 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)
Reactividadálcali-sílice de los agregados
Figura 30: Prueba y resultados de permeabilidad para shotcrete con acelerantes de sodio modificado y libres de á lcali 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 t í picos picos de ensayo. En la fig. 30 se identifican las pruebas y los lí mites mites de permeabilidad para el shotcrete, así como como tambi én los lí mites mites de los resultados de ensayo para muestras que utilizan la tecnologí a de MBT. Estos resultados demuestran claramente la durabilidad del shotcrete como material de revestimiento.
6.5 6. 5
Nuev Nu evos os ad adit itiv ivos os ac acel elera erant ntes es li libre bres s de de álcali
SINTEF (Noruega) ha llevado a cabo un grupo de pruebas de resistencia a sulfatos, cuyos resultados se muestran en la t abla 8. Una resistencia a sulfatos excelente se denota como «alta». A partir de estos resultados, resultados, se puede puede concluir concluir lo siguiente: 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 s ódico modificado. 122
OPC
OPC
OPC
OPC
SR
re ac ac titi vo vos
re ac ac titi vo vos
no re ac ac titi vo vo s
no re ac ac titi vo vo s
l ig er er am am en en te te re ac ac titi vo vos
Microsí Micros í lice lice
0%
6%
0%
6%
0% y 6%
Relació Relaci ón agua/cementante
0,45
0,47
0,52
0,48
0,45 – 0,48
Acelerante y dosificaci dosificaci ón:
Silicato sód ic ic o m od od . 5 % Silicato sód ic ic o m od od . 1 0% 0% Libre de álcalis 5% Libre de álcalis 10%
m od od er er ad ad a alta
ninguna
alta
a l ta
alta
ninguna
alta
a l ta
alta
ninguna
alta
a l ta
moderada alta
ninguna
alta
a l ta
n in in gu gu na na
alta
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 qu quí mica mica de los nuevos acelerantes
Recientes microanálisis demostraron que las muestras de shotcrete con aditivos acelerantes conten í an an fases minerales similares a aquellas presentes en un concreto de control. Adem ás, tanto las muestras de control como las que conten í an an aditivos exhibieron patrones de fisuraci ón similares. A través de los estudios se concluyó que al no haber diferencia qu í micas micas 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 compresi ón y resistencia a la flexión, no se ha probado que la microfisuraci ón a edad temprana cause efectos perjudiciales a la estabilidad o a la durabilidad del concreto. 123
6.7
alcanzar la durabilidad es utilizar diseños «construibles», manteniendo los detalles tan simples como sea posible.
Durabilidad del refuerzo de fibra metálica
En ambientes corrosivos, el shotcrete reforzado con fibra met álica ofrece mucha más durabilidad que el concreto reforzado con malla electrosoldada, puesto que no favorece las celdas de corrosi ón galvánica tan comunes que provocan da ños considerables en los revestimientos de túneles con refuerzos convencionales. Se elimina el riesgo de fisuraci ón del concreto debido a la corrosi ón porque no hay suficiente aumento volum étrico causado por corrosi ón de la fibra. Además, las fibras (que son discontinuas) están protegidas por una matriz de álcali. Por tanto, no se presenta un mecanismo de propagaci ón de la actividad corrosiva, tal como lo demuestran numerosos estudios de i nvestigación de estructuras expuestas a ambientes sumamente salinos y a ambientes de congelaci ón-deshielo. Así se concluye que es innecesario utilizar fibras met álicas inoxidables para lograr durabilidad.
• La técnica de aplicaci ón del shotcrete por ví a húmeda, llevada a cabo con equipos y aditivos modernos de alto desempe ño que no dañan el medio ambiente, ofrece a la industria de construcci ón de túneles una herramienta econ ómica para construir revestimientos de capa individual permanentes y duraderos. Hoy en d í a el proceso de construcci ón está sumamente automatizado, lo cual ha reducido significativamente el grado de influencia humana que antiguamente pesaba en la decisi ón de no considerar el shotcrete como soporte permanente.
• Las especificaciones modernas del shotcrete incluyen los factores para lograr un dise ño de mezcla moderno y de calidad controlada, suministrando una gu í a para facilitar la durabilidad y la ejecución eficaz de los procesos de proyecci ón. Por ejemplo, la nueva Especificaci ón Europea del Shotcrete (1996) emitida por
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 fisuraci ón t érmica, los revestimientos permanentes de shotcrete reforzado con fibras met álicas, deben protegerse con una capa de mortero delgada que contenga las nuevas fibras sint éticas HPP 152.
6 .8
EFNARC, describe sistemas completos para lograr un shotcrete permanente.
• Con la tendencia creciente a utilizar revestimientos duraderos de shotcrete, recientemente se han introducido al mercado nuevas tecnologí as para promover y mantener su uso. Estos sistemas mejoran la estanqueidad y proporcionan una excelente resistencia al fuego.
Re qu is it os d e a pl ic ac ión
Frecuentemente, los beneficios de las mezclas dise ñadas para alcanzar los requisitos de durabilidad de la estructura quedan anulados por deficiencias en los procesos de aplicaci ón (véase el cap. 10 ).
6.9
• A mitad de la década de 1990 comenz ó el crecimiento acelerado del uso de shotcrete duradero para t úneles y otras estructuras de ingenierí a civil. Dicha tendencia seguirá en aumento a medida que los equipos de dise ño y los de construcci ón se familiaricen más con la tecnolog í a moderna del shotcrete y con el concreto duradero que puede producirse.
Conclusión
• El desarrollo del dise ño de la mezcla de concreto es apenas uno de los varios pasos necesarios para lograr un revestimiento de shotcrete duradero. La producci ón de un shotcrete duradero depende significativamente de la destreza humana durante la proyecci ón, y del uso de equipos adecuados para el prop ósito.
• La función del diseñador es fundamental. Es necesario que el mismo entienda los procesos de aplicaci ón del shotcrete y no sobreespecifique las propiedades del material. La clave para
124
6. 10
E je mp lo d e C -4 5
Cemento Microsí lice 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
Capí tulo 7
4 – 8 %
Equipos
La mezcla se estabiliza durante m ás de 3 – 4 horas debido al uso del GleniumTM T803. El mundo de la construcci ón subterránea se caracteriza por situaciones de alto riesgo y fechas de entrega apremiantes. Por eso, y a pesar de las numerosas aplicaciones t écnicas 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 dise ño de mezcla y la ejecución de la proyecci ón estén correctos, debe obtenerse una resistencia final superior a la especificaci ón.
6.11
Efectos de utilizar diferentes diseños de mezclas
Al igual que ha pasado con la tecnolog í a de materiales, ha habido también un desarrollo acelerado en el sector de equipos, por lo cual hoy en dí a existen maquinarias adaptables a las siempre cambiantes condiciones de la industria de la construcci ón. Existe una amplia gama de sistemas aplicables a todas las obras de shotcrete, desde la construcci ón de grandes t úneles que requieren la proyecci ón de grandes cantidades de concreto, hasta peque ños trabajos de reparación. La tendencia general apunta hacia sistemas integrados y automatizados que garanticen vol úmenes de producci ón 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 reducci ón de la resistencia final y riesgo subsiguiente de segregaci ón y taponamiento. Las dosis bajas de cemento (<400 kg) redundan en m árgenes mí nimos en relaci ón con sub-est ándares y requieren un control firme de la dosis del acelerante y de las condiciones de endurecimiento, además de disminuir la capacidad de producci ón y aumentar significativamente el rebote. El exceso de micros í lice (12 – 15 %) produce un concreto sumamente pegajoso y difí cil 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 p érdidas por rebote, as í como también suponen riesgos de deshidrataci ón y taponamiento. El exceso de fibras largas crea problemas de bombeo y compactación: cavidades alrededor de las fibras, propiedades mec ánicas 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
E q u ip os /s i s te m a s p a ra l a p ro ye c c i ó n por v í a seca La mayorí a de las maquinarias modernas funcionan con sistema de rotor.
7.1.1.1 Principios de funcionamiento (MEYCO® Piccola, MEYCO® GM) La mezcla por ví a seca es agregada a la tolva de alimentaci ón (1, véase la fig. 31). A medida que el rotor gira, dicha mezcla va cayendo por su propio peso por una ranura de alimentaci ón situada en una de las cámaras del rotor (2). Mientras se llena una de las c ámaras, se sopla aire comprimido en la otra cámara (llena). La mezcla se descarga en la abertura de la salida (3), impulsada bajo una presi ón de 127
3 – 6 bars a través de la tuber í a de transporte y hacia la boquilla de proyecci ón, en donde se le agrega el agua. El rotor est á sellado por ambos lados con discos de caucho.
pueden emplear di ámetros hasta de 80 mm. Asimismo el aumento de los diámetros de las tuberí as va acompa ñado de un aumento en el consumo de aire comprimido.
1 = Tolva de alimentaci ó n 2 = Rotor 3 = Salida p = Aire comprimido
Figura 33: Diferentes tipos de boquillas para proyecci ó n por v í a seca
Figura 31: Principio de operaci ó n de un equipo de rotor para proyecci ó n por v a seca í
Entre otros par ámetros que determinan el tama ño de la tuber í a de transporte figuran la granulometr í a de la mezcla por v í a seca, la forma de grano de los agregados, el abastecimiento de aire comprimido, la distancia y la altura de transporte. 7 . 1. 1 .2 Ava nc e s La tecnologí a de los equipos de proyecci ón por ví a 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 aplicaci ó n manual
Figura 32: MEYCO® Piccola y MEYCO ® GM: M áquinas t í picas de proyecci ó n por v a seca í
Este equipo tiene ventajas esenciales como facilidad de uso, resistencia y adaptabilidad a las condiciones espec í ficas de la obra. Según el diámetro de la salida y de la tuberí a de transporte as í como del tipo del rotor, su rendimiento var í a entre 0,5 y 10 m 3 /h. Si se aumenta la producción de proyecci ón incrementando el volumen de la cámara y la velocidad rotativa, es necesario redimensionar consiguientemente la tuber í a de transporte. El di ámetro máximo para proyecci ón es 65 mm, mientras que para propósitos únicamente de transporte (p. ej., para colocaci ón detrás del encofrado), se 128
Figura 34: Equipo MEYCO ® Repjet
Para trabajos de reparaci ón y construcci ón, se requieren sistemas compactos y m óviles que contengan los equipos necesarios para la 129
7 . 1 .2
proyecci ón, y que sean independientes de fuentes de alimentaci ón externas.
Este diseño asegura un ajuste de la dosificación análogo a la capacidad de proyecci ón.
Un equipo que cumple con estos requisitos es el MEYCO ® Repjet. Su chasis está diseñado para soportar los m ódulos especificados a continuación; dichos módulos pueden ser integrados o desmontables, y se ofrecen como opciones: • Unidad de bomba hidr áulica integrada (para el accionamiento del MEYCO® Piccola y accesorios) • Limpiador de agua a alta presi ón • Unidad dosificadora (para acelerantes/activadores) • Equipo de stripping • Iluminación del sitio • Controles remotos • Bomba para aumentar la presi ón del agua • Máquina de proyecci ón por ví a seca MEYCO® Piccola • Compresor de aire • Equipo de limpieza con chorro de arena • Generador de corriente alterna • Motor diesel (fuente de energ í a)
Caracter í s ticas principales: • Tres circuitos independientes de presi ón 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 presi ón (bomba auxiliar con acumulador de frente).
E q u ip os /s i s te m a s p a ra l a p ro ye c c i ó n por v í a h ú meda
Pantalla
Teclado de entrada Potenciómetro Flujo de concreto
l a e r n ó i
c i d a e d d a d i t n a C
Tarjeta de amplificador Válvula prop.
Boquilla de proyecci ón
CLP
a d i r e u q e r
Entrada
La proyecci ón por ví a húmeda se efectúa con bombas de doble pistón.
Cantidad de adición real
n i c i d a e d d a d i t n a C ó
Flujómetro
Convertidor de frecuencia Bomba dosificadora
Controlador
7 . 1. 2 .1 Ava nc e s
Adición
Para garantizar una proyecci ón uniforme, los últimos desarrollos en maquinarias procuran un transporte sin pulsaciones de la mezcla por ví a h úmeda, 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 pulsaci ón del flujo de material hasta un punto en que éste prácticamente no se nota en la boquilla. Todas las funciones de la m áquina 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 dosificaci ón de aditivos, capacidad de producci ón, etc.). El sistema de accionamiento de la máquina tiene incorporada una unidad dosificadora de aditivos lí quidos, la cual está también conectada al sistema PLC. 130
Figura 35: Principio de funcionamiento del sistema MEYCO ® Dosa TDC (control de dosificaci ó n total)
• Pistones de alimentación con alimentaci ón reversible (para impedir las obstrucciones). Los pistones se invierten autom áticamente cuando se excede la presi ón de transporte máxima. • Cilindros hidráulicos con ajuste autom ático de la carrera. • Sistema de avance especial a trav és de una válvula proporcional en coordinaci ón 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 m í nimo, 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 producci ón, etc. Cualquier error en los sistemas hidr áulico o eléctrico será indicado en la pantalla; las causas de l os 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 lí quidos. Esta unidad de dosificaci ón integrada es una bomba helicoidal de variación continua con un motor el éctrico embridado (con control de frecuencia) que est á conectado al accionamiento de los pistones de alimentaci ón (concreto/hidráulicos) a través del sistema PLC. Así se garantiza un ajuste de la capacidad de dosificación, análogo a la capacidad de proyecci ón. Informaci ó n té cnica del equipo MEYCO® Suprema
Dimensiones Largo 2,5 m Ancho 1,5 m Alto 1,95 m (aprox.) Altura de alimentación 1,1 m (aprox.) Peso (vací o) 2200 kg Máx. presión de bombeo del concreto 75 ó 50 bars Conmutador de tubo en «S» 150/125 mm Tuber í a de transporte 50 mm, 65 mm ó 100 mm Unidad de dosificaci ón integrada Bomba helicoidal 7.1.2.2 Sistemas integrados para aplicaci ó n manual Varias clases de aplicaciones en la construcción de túneles (p. ej., grouting, backfilling, reparación y reperfilado), requieren morteros premezclados para facilitar la proyecci ón. Estas aplicaciones requieren adaptabilidad, capacidad de compactación y facilidad de manejo, y todas estas caracterí sticas las ofrece el equipo MEYCO ® Deguna 20T, una bomba helicoidal con mezcladora integrada. Tiene salida ajustable de 5 a 40 l/min (variador mec ánico) y presión máxima del mortero: 40 bars.
Figura 36: MEYCO® Suprema: Sistema de dosificaci ó n integrado, sistema de control computarizado (PLC), proyecci ó n sin pulsacio nes, con ajuste autom ático de la dosificaci ó n con el volumen proyectado Figura 37: MEYCO® Deguna 20T
Máxima capacidad de transporte (teórico) Distancia de transporte, horizontal Dist ancia de transporte, verti cal Consumo de aire en la boquilla Proyecci ón a mano: Proyecci ón robotizada: 132
2 – 14 m 3 /h ó 3 – 20 m 3 /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 especí ficamente como una unidad eficaz y económica para la proyección en áreas que requieren buena compactaci ón y facilidad de manejo. La unidad tiene una capacidad aproximada de 5 m 3 /hora, y contiene una bomba helicoidal para dosificación del acelerante. El modelo montado sobre pati133
nes tiene un peso total de 950 kg (tambi én hay disponibilidad de montajes en vagón y en ruedas de caucho).
Los brazos de proyecci ón ( «robots » ) sirven para aplicaciones de grandes cantidades de shotcrete, especialmente en construcciones de túneles y galer í as, o para protecci ón de chimeneas y taludes. Gracias a equipos mecanizados y automatizados, es posible aplicar grandes vol úmenes de shotcrete – por ví a seca o húmeda – en condiciones óptimas y mejores condiciones laborales para los operarios de la boquilla.
Figura 38: Bomba Rambo de doble pist ó n
7.2
Proyección mecanizada
7 .2 .1
Br az os de p roye cc i ó n
Figura 39: Brazo de proyecci ó n MEYCO® Robojet
134
Figura 40: Brazo de eje MEYCO ® Robojet
135
Los robots de proyecci ón se componen t í picamente 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)
n e i m i t e t s e e r v c e t o r h n s e e o d t n n i e ® ó MEYCO i m c i Robojet a d c n i l e p r a o Vagón a t l transportador r a a p e o d d a c a i z l i t á t o e b m o r a r o b p f i i u n . q o s e c l e e o e d d n o a ú l t z g r e e o d r f r e o A r t
Plataforma superior
Anillos de largueros en doble T
Arreglo de boquilla
Plataforma inferior
Figura 41: Ejemplo de plataformas de hundimiento de eje
136
La lanza permite cualquier movimiento de la boquilla que se requiera para la proyección. Estos equipos est án disponibles en longitudes de 1, 2 o 3 metros. El montaje de lanza está acopado al brazo, el cual puede moverse en cualquier direcci ón 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 activaci ón del cabezal de proyecci ón se efectúa mediante tres accionadores hidr áulicos 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 autom áticamente paralelo al eje del túnel. El control remoto est á 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, seg ún el montaje. El equipo tiene su propia fuente de energí a eléctrica, pero es también posible activarlo mediante el generador. El MEYCO® Robojet puede instalarse en varias clases de veh í culos de transporte, tales como un chasis excavador, un cami ón, una TBM, etc.
Figura 42: Soluci ó n especializada de MBT: El brazo de proyecci ó n MEYCO® Robojet est á integrado a una m áquina tuneladora de di á metro peque ño.
137
El equipo MEYCO® Robojet Logica es un brazo de proyecci ón 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 proyecci ón en varios modos, desde puramente manual a semiautom ático o totalmente autom ático, dentro de áreas seleccionadas del t únel. En uno de los modos, el operario emplea una palanca de mando de 6 dimensiones ( rat ó n espacial ).
Semiautom á tico
Mando de 6 palancas en panel de mando
Panel con pantalla de contacto
Figura 43: Soluci ó n especializada de MBT: El brazo de proyecci ó n MEYCO® Robojet est á integrado a una m áquina tuneladora de gran di á metro.
Las figuras 40 – 43 muestran conceptos integrados para los sistemas de excavaci ón mecanizados y TBM. Su dise ño e instalaci ón en módulos les permiten satisfacer la mayorí a de los requisitos y las especificaciones de construcción de túneles y cuele vertical.
Auto m á tico
7 . 2 .1 . 1 B ra z os d e p r oy ec c i ó n 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 proyecci ón asistido por computadora no es la de automatizar toda la tarea de proyecci ón, 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 proyecci ón y una distancia uniforme de proyecci ón, se logra una reducci ón significativa del rebote y por tanto, del costo. La nueva maquinaria est á basada en el bien conocido principio cinemático del MEYCO® Robojet. Un sistema de control efect úa el cálculo cinemático. Un sensor de láser mide la geometr í a del túnel, y esta información se utiliza para controlar autom áticamente la distancia y el ángulo de la proyecci ón. Además, si despu és de la proyecci ón se mide nuevamente el perfil del túnel, el sistema proporciona informaci ón del espesor de la capa de shotcrete aplicada, algo que hasta ahora únicamente era posible mediante extracci ón 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 l í mites definidos de forma autom ática. 7.2.2
Sis temas m ó vil es de pro yec c i ó n
ventajas de manejo sencillo para el operario con una capacidad de salida 30 % superior (m áx.). Todos los equipos necesarios para realizar labores de proyecci ón de una manera econ ómica están integrados en las siguientes unidades:
Figura 47: MEYCO® Cobra Spraymobile (para aplicaciones mineras)
• Máquina de proyecci ón por ví a húmeda MEYCO® • Sistema de dosificación para acelerantes l í quidos MEYCO® Dosa • • • • • • •
TDC Brazo de proyecci ón MEYCO® Robojet o Robojet Compacta Depósito de almacenamiento de acelerantes Compresor de aire Carrete de cable con impulso hidr áulico, incl. cable Equipo motor electrohidr áulico Sistema de control central (sólo uno) Control remoto con cable o radio remoto
Figura 46: Spraymobile MEYCO® Potenza. Este sistema modular permite la construcci ó n de sistemas de proyecci ó n 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 m ás de 15 años de construcci ón de spraymobiles. Esta unidad combina las 140
Figura 48: MEYCO® Mamba Spraymobile (para aplicaciones mineras)
141
• • • •
Limpiador de agua a alta presi ón, incl. tanque de agua Luces de trabajo Sistema de lubricación central Chasis de cuatro ruedas directrices, tracci ón total, con motor diesel
7. 3
S is te ma s d e d os if ic ac ión
Figura 50: MEYCO® Mixa 15
Cuando se emplean aditivos l í quidos, 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 proyecci ó n móvil contiene todos los equipos espec í ficos del MEYCO® Spraymobile, instalado en un cami ó n id ó neo para circulaci ó n. Todos los equipos pueden ser activados bien sea desde una fuente diesel externa, o bien mediante su propio motor diesel. Adem á s del MEYCO® Spraymobile, tambi é n contiene un depó sito para el agente de curado.
7 . 2. 3
7.4
Sistem as de boquilla
Ve nta ja s de la pr oye c c ió n mecanizada
Los sistemas de boquilla son una parte importante del equipo de proyecci ón. Los efectos esenciales de las boquillas son: • reducir el rebote • mejorar la adherencia • mejorar la compactación
• Ciclos de proyección reducidos debido a la mayor capacidad de producci ón 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
mediante: • la mezcla apropiada de acelerantes/activadores y aire, en el caso del método de proyecci ón por ví a húmeda • la mezcla apropiada de acelerantes/activadores y agua, en el caso del método de proyecci ón por v í a seca
de obra.
• Mejor calidad del shotcrete gracias a la proyección uniforme. • Mejores condiciones de trabajo para el operario de la boquilla gracias a la protecci ón contra desprendimientos, rebote, polvo y acelerantes.
142
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 aplicaci ón (método por ví a húmeda o ví a seca, aplicación robótica o manual) y el acelerante/activador idóneos.
143
Bomba dosificadora
MEYCO® Suprema
e t n
Unidad reductora de presión
Aire 7 bar 10 – 12 m3 /min
7.5
Sistemas para mediciones del desarrollo de resistencia
7 .5 .1
Ag uja d e p en etr ac i ó n
a r e l e c A
La aguja de penetraci ón mide el desarrollo de la resistencia inicial durante las dos primeras horas. Es un m étodo 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 indicaci ón de la resistencia a la compresi ón del mismo.
e r i A
Aire + acelerante
Aire + acelerante
Figura 53: Aguja de penetraci ó n MEYCO®
En realidad este m étodo proporciona una combinaci ón de la resistencia a la compresión y el esfuerzo de cortante, o la resistencia a deformaciones pl ásticas locales. Los agregados contenidos en el shotcrete y el comportamiento de soporte de la granulometr í a influyen significativamente en los resultados.
Figura 51: Sistema de boquilla para acelerantes basados en silicatos modificados y libres de á lcalis, para aplicaciones mecanizadas
7 .5 .2
P ru eb a d e a dh ere nc ia ( pull-out )
Figura 52: Boquilla t í pica para aplicaci ó n de shotcrete por v a í hú meda; para utilizarse con brazos de proyecci ó n y para aplicaci ó n manual
Figura 54: MEYCO® Kaindl, instrumento de medici ó n 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 c ónica truncada, es posible calcular la resistencia a la tracción a cortante, y en consecuencia la resistencia a compresi ón de un shotcrete reciente en el momento de la prueba.
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
rocosa y en la tradicional metodologí a carga/capacidad/factor de seguridad; esto inevitablemente lleva a un diseño del tipo «caso más desfavorable », el cual quiz ás sea necesario sólo en una pequeña parte del túnel. C á lculos anal í t icos y num é ricos
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 num éricos. 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) ( situ ), frecuentemente en • Mediciones de esfuerzos de rocas in barrenos largos • Investigación de las condiciones del agua subterr ánea • 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 excavaci ón • Identificación de los parámetros del material de soporte de rocas Los cálculos analí ticos son rápidos y apropiados para obtener aproximaciones preliminares. En situaciones m ás 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 dí as 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 c álculos 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 m étodos empí ricos, los cuales consisten en clasificar la roca inmediatamente después de su exposición, seguido por la instalaci ón 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 m étodo 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 situaci ón dada en el t únel, podrí a tardarse varios dí as. 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 m ás especí ficas tales como cavernas para centrales eléctricas, estaciones de ferrocarril, etc., los c álculos 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 num éricos contienen numerosas incertidumbres y cálculos aproximados. Por tal razón, a veces la precisi ón de los resultados es deficiente, y es dif í cil predecir cuándo y dónde ése será el caso. Una caracterí stica especial de las superficies de rocas de voladura es su geometrí a extremadamente complicada. El contorno de las mismas no puede alisarse con una capa relativamente delgada (50 a 200 mm) de shotcrete para obtener una geometrí a de arco definida. Los cálculos también se dificultan debido a la compleja interacci ón del comportamiento del terreno con el paso del tiempo, en comparación con la hidrataci ón y el aumento de resistencia del shotcrete con el tiempo, as í como la variación del espesor del shotcrete y de la resistencia de adherencia.
La elaboración de modelos tridimensionales num éricos es usualmente una tarea tan compleja, que sólo puede llevarse a cabo mediante computadoras centrales.
148
149
Mé todo observacional
8.1
Este método, que ha existido desde que el hombre comenzó a construir túneles, se basa en el sentido com ún y a veces en las necesidades básicas, y refleja las consecuencias de las «situaciones inevitables » descritas al principio de este cap í tulo: A continuación se exponen los elementos b ásicos 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 empí rico y de cálculo que se considere útil y necesario. • Al concluir la excavación y la instalación del soporte, debe llevarse a cabo una verificaci ó n del pronó stico mediante inspección visual, control de deformaciones, esfuerzos, cargas, presi ón 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 retroalimentaci ó n 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 acci ón inmediata cuando se requiera y un soporte adaptado a las condiciones reales encontradas, todo lo cual lleva a soluciones m ás equilibradas y menos costosas. Hoy en dí a se acepta y se utiliza el m étodo observacional para una gran cantidad de proyectos de construcción de túneles. Tal como se describi ó anteriormente, la construcción de túneles es una materia que requiere una laboriosa toma de decisiones. Es importante entender las razones que justifican utilizar la metodolog í a descrita para estructuras subterráneas. Sin duda alguna, las soluciones «prediseñadas», basadas en una metodologí a 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 aplicaci ón 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 estabilizaci ón que tienen las capas delgadas de shotcrete. S ólo así podremos evaluar combinaciones con otras medidas de soporte, y las limitaciones de tales soluciones. Hay ciertas caracterí sticas 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 part í culas 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 adherir á 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 adherir á 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 caracterí sticas anteriores se pueden identificar los efectos de estabilizaci ón que se nombran a continuaci ón: • 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
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 producir á una acción compuesta por el substrato de roca y el concreto que se est á endureciendo. Se ha observado que capas de shotcrete incluso de 30 mm son muy eficaces en algunas situaciones, lo cual respalda la idea b ásica de una acción «compuesta».
8.2
P , a g r a C
Carga máxima, falla de adherencia
Propagaci ón de la grieta
Shotcrete sobre roca diaclasada
Deformaci ó n
Detalle
Capa de shotcrete
Bloque fijo
Falla lí mite en flexión
Bloque cargado 3,7 m (x 1,2 m)
Bloque fijo
P Cilindro hidráulico
Figura 55 Desde los años 70 hasta el principio de los a ños 80 se realizaron en Escandinavia y Am érica 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.
P
P
P
Figura 56 Para espesores superiores a 30 mm (y básicamente independiente del espesor), las pruebas demostraron que la resistencia a la adherencia es crí tica. En la fig. 56 se demuestra el comportamiento básico del modelo (refiérase al «detalle» de la fig. 55). Para una roca normal graní tica, el análisis de los resultados indic ó 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 volum étrico de la roca puede ser, γ = 27 000 N/m3 Se utiliza un bloque c úbico de roca, con longitud de borde,
En Suecia, el Dr. Jonas Holmgren utiliz ó 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 mencion ó 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 =
Para espesores de capa inferiores a 30 mm, el bloque m óvil 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
λ m
γλ 3 (vése la fig. 57)
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 , 1 1 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 compresi ón en el compuesto roca/shotcrete. De esta manera el shotcrete está ayudando al material rocoso a soportarse a s í 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 t érminos de volumen y peso, un bloque de más de 9 m3 y peso de 25 toneladas podr í a 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 declaraci ón 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 t únel 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 λ 3 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 t únel Carga de distribución radial
154
σc
1-
(R i - tc ) 2 R2i
= 2,53 MPa = 253 tonelada s/m2
Shotcrete sobre roca blanda o fisurada
La razón m ás 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 deforma-
tc = 0,15 m Ri = 2,0 m P= ?
Presión máxima del soporte: 1 P= 2
En muchos casos no se puede suponer la existencia de cu ñas o bloques individuales soportados por una capa delgada de shotcrete. La experiencia ha demostrado que al construirse un t únel 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 teor í a 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
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 = P 0. También se muestra el esfuerzo radial σr y el esfuerzo tangencial σt en el momento justo antes de la excavaci ón. 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 dise ña 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 deformaci ón 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 l í nea 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
σ r σ r = σ h =
La magnitud de la deformación y el espesor de la zona pl ástica dependen de la fricción interna y otros parámetros de resistencia del material rocoso. Otro factor importante es la magnitud del esfuerzo.
P0
σv Figura 59 La situación de esfuerzos cambiará al poco tiempo de la excavaci ón, y si la roca es suficientemente d ébil 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 P i de la figura representa la presi ón 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 lí nea recta elástica podrí a continuar hasta carga cero, tal como lo muestra la l í nea n.° 1. En este caso no se necesitarí a instalar un soporte. A un nivel de esfuerzos ligeramente mayor, se desarrollarí a una zona plástica delgada indicada por la lí nea n.° 2. Si el nivel de esfuerzos es alto, podemos seguir la l í nea 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
P0
2 P0
e R e t a c r c i ó o n d e p l s o u e s l o l e d l n d e n ó i ó t e i r c o s c p e a o r
σt σ r
P0
Pi
Zona ástica Plasticpl zone Elasticel zone Zona ástica
σ r = σ h =
P
P0
3 a v r u C
Pi máx. 3
e R s
2 1
Elástica
Plástica
Estable
Inestable
Figura 61
Figura 60
156
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 deformaci ón del soporte. El punto de intersección entre las curvas de reacción del suelo y del soporte define la carga de soporte final y la deformaci ón total de la roca. El diagrama demuestra el efecto combinado y la interacci ón 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 P0
• •
Capacidad alta, excesiva rigidez, fallando
e t r o p o s l e d n ó i s e r P
Capacidad menor, menor rigidez, estable Soluciones óptimas
Demasiado suave, demasiado tarde
Deformación, u
Figura 62 La fig. 62 muestra algunas caracterí sticas de soporte que ilustran los principios antes mencionados. Un soporte fuerte y r í gido podrí a estar sobrecargado, mientras que uno más débil y más dúctil es satisfactorio. También es posible que el soporte r í gido funcione bien si se instala m ás adelante. La idea es optimizar el soporte, lo cual significa dejar que el material rocoso soporte tanta carga potencial como sea posible.
8.5
•
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 diagn ó158
•
stico de carga y deformación para un conjunto de casos de calidad de roca, contemplando el alineamiento del t únel. 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 separaci ón entre ellas, etc. Las decisiones sobre la secuencia de excavaci ón/soporte y datos de control deben estar basadas en un pron óstico 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 medici ón, 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 filosof í a de diseño, la decisi ón podrí a dirigirse hacia no instalar soportes adicionales, o en ciertos casos, a instalar un recubrimiento de concreto.
La filosofí a del NATM es permitir una peque ña deformación, de manera que el sistema de soporte aguante una mí nima 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 celosí a. Otra adición muy importante de la metodolog í a NATM es el soporte anular cerrado. Un soporte anular cerrado de shotcrete es más rí gido 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 relaci ón a la rapidez y la magnitud de la deformación. Toda esta explicaci ón 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 ilustraci ón limitada de un asunto sumamente complejo. Sin importar el «nombre» de la metodologí a, (método «Q», NATM, RMR, etc.), nosotros sólo recomendamos utilizar los principios generales del m étodo observacional. La construcción de túneles en áreas urbanas está frecuentemente acompañada de profundidades de excavaci ón poco profundas, con riesgos sumamente peligrosos. Podr í a 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 par ámetros de materiales para el shotcrete depende del tipo de problema de estabilidad. Por ejemplo, la adherencia (no la resistencia a la compresi ón) tiene importancia primordial en el caso de capas delgadas aplicadas a roca dura para prevenir la caí da de cuñas y rocas sueltas. Sin embargo, la resistencia a la compresi ón es crí tica cuando se contempla un soporte anular cerrado grueso en terreno suave; en este caso la adherencia es de menor importancia. La resistencia a la compresi ón puede ser utilizada como una indicación indirecta de la durabilidad. El concreto debe exhibir una durabilidad satisfactoria en el ambiente donde se aplique. Con relaci ón a ello, puede haber una diferencia entre un t únel de carreteras con tráfico pesado y un túnel de transporte de agua. En la mayorí a 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 caracterí stica 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 compresi ón, la técni160
ca de aplicaci ón y la limpieza previa de la superficie. As í se obtendrá la mejor adherencia posible permitida por la superficie en cuesti ón. La resistencia a tracción del shotcrete no es tan importante, y en cualquier caso no puede contemplarse en consideraciones de dise ño porque siempre hay posibilidades de formaci ón de fisuras de contracción en secciones crí ticas. 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 contracci ón 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 mí nima contracción, se debe procurar un contenido bajo de agregados finos y cemento, una relaci ón agua/cementante baja (generalmente inferior a 0,45), y se debe emplear una t écnica correcta de aplicaci ón (buena compactación y ángulos correctos de proyecci ón). Siempre se debe utilizar un compuesto de curado después de la aplicaci ón, 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 pr áctico, 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 m ás concreto que el requerido, y menos en la clave; desde el punto de vista de estabilidad se desear í a 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, habr á más seguridad y economí a. El uso de acelerantes provoca alta resistencia inicial, y la operaci ón es más económica si se facilita construir un espesor total en una labor continua, incluso en un área limitada.
161
8.7
ensayo de vigas a flexi ón (véase la fig. 64). Los ensayos modernos tales como el ensayo EFNARC se basan en pruebas de paneles proyectados.
Refuerzos
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.
P a g r a C
Refuerzo con fibra met álica
Sin refuerzo Deformación
T ú neles 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
M étodos de soporte de túnel
En la mayorí a de los pa í ses ses del mundo, el shotcrete habí a 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 t úneles de shotcrete en una pasada ( single shell ). Para esta esta metodolog metodologí a se prefiere el shotcrete por v í a húmeda de alto rendimiento combinado con fibras met álicas. ) m c ( e t e r c t o h s e d r o s e p s E
Túnel de 50 m2 Horas acumuladas
Figura 63 La instalación de mallas electrosoldadas se hace manualmente, y por tanto es difí cil cil mejorar su eficiencia. Dado que la capacidad de producci ón es fija, el costo del refuerzo por mallas est á siempre aumentando. El costo directo de construcci ón 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 energí a de rotura posible. La energí a de rotura (tenacidad) está representada por el área bajo la curva carga-deformación del 162
M a y o r s e c c i D a ó n p r o ox . 1 M 0 e n m o r s e c c i ó 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 celos í a prefabricad prefabricadas. as.
Varillas de acero corrugado corrugado
Capí tulo tulo 9 Revestimientos permanentes de shotcrete para túneles
Pernos de anclaje
9.1 9. 1
150 mm 0,5–1,0 m
Á reas sin shotcrete Á reas 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 – 5 m
Figura 66: Soporte con nervaduras de shotcrete reforzado con fibra
Desarr Desa rrol ollo lo de lo los s re reve vest stim imie ient ntos os 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 excavaci ón 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 m étodo de la doble capa. Desde 1994 ha habido un progreso notable de la tecnologí a del shotcrete gracias al desarrollo de aditivos y m étodos de aplicaci ón estables (particularmente con el método por ví a 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 convencional in situ situ sobre shotcrete temporal. Esto disminuyó los costos y el tiempo de construcción, particularmente en las secciones de geometrí a compleja. La tecnologí a moderna del shotcrete ofrece a la industria de construcción de túneles un sistema mucho más barato de revestimien revestimien-to, en forma de un shotcrete permanente en una pasada. Este económico sistema está caracterizado por un revestimie revestimiento nto estructural duradero, hermético y con posibilidades de un acabado superficial muy similar (si no igual) al del concreto vaciado vaciado tradicional. El método de revestimiento de t únel en una sola pasada ( Single Single Pass Tunnel Lining, Lining , o SPTL), descrito en este cap í tulo tulo mantiene la filosof í a
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 monolí tica tica con una capa adicional de shotcrete instalada posteriormente durante el proceso de construcci ón.
9.2
Relaci ón 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 comparaci ón con una estructura de doble capa, según la sección transversal y longitud del túnel así como 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 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 adopci ón 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 interacci ón terrenoestructura, particularmente con materiales compuestos tales como el refuerzo de fibras metálicas. Adicionalmente, la disponibilidad de mejores aditivos y equipos de shotcrete disminuir á los costos de los materiales de construcción y la duración del proyecto.
9.3
túneles de di ámetros pequeños o túneles construidos en condiciones estables de suelos secos. El segundo es un proceso de aplicación de dos capas (v éase la fig. 67), donde la primera capa de shotcrete aporta estabilidad al túnel, mientras que la segunda (actuando monolí ticamente ticamente 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 t úneles construidos bajo el nivel freático. Para ambos sistemas es crí tico tico reducir la cantidad del acero de refuerzo, bien sea mediante el reemplazo de fibras met álicas, o
Primera capa: shotcrete reforzado con fibras met álicas Segunda capa: concreto in situ o shotcrete reforzado con fibras met álicas Concreto in Concreto in situ (reforzado, si es necesario)
La primera capa puede contener fortificaciones tales como spiles como spiles y pernos de anclaje.
Iluminación de techo
R a d i o i n t e r n o = 5 ,3 4 5 m
Segunda capa sin juntas longitudinales (fuera de la conexi ón a la solera de concreto)
Sección transversal de un túnel de autopista de dos ví as as
Segunda capa: revestimiento de concreto vaciado in vaciado in situ o shotcrete
Primera capa: revestimiento de shotcrete
La segunda capa es instalada después de haberse estabilizado la primera Proyecci ón con robot de todas las capas de shotcrete La solera es instalada antes que la segunda capa
Criterios de dise ño pa para la la se seg un un da da ca capa: 1. Estanqueidad 2. Durabilidad 3. Capaci Capacidad dad de de soporte soporte de carg carga a (si se aplica) aplica)
Opciones de SPTL
Existen dos sistemas que pueden considerarse como m étodos SPTL: el primero es un método de aplicaci ón de una pasada, para 166
Secuencia de construcci ón: avance de clave-hastial-sole clave-hastial-solera ra
La distancia entre la clave y la construcci ón del hastial/solera depende de la estabilidad de la clave o de la necesidad de reducir el asentamiento Cr it er er io s de di di se se ño para la primera capa: 1. Capacidad de soporte de carga 2. Durabilidad 3. Estanqu Estanqueida eidad d
Figura 67: Método SPTL de dos capas: secci ó n transversal y longitudinal longitudinal 167
bien mediante la optimizaci ón del perfil del t únel 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 secci ón de con-
La fig. 67 ilustra el método SPTL de dos capas y sugiere una secuencia de dise ño 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 construcci ón al frente del túnel. En algunos casos podrí a ser aconsejable finalizar la construcción de la primera capa a lo largo de todo el t únel antes de colocar la segunda.
En caso de que se requiera instalar malla electrosoldada o varillas por razones estructurales, el diseño debe facilitar la instalaci ón 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 trav és de parrillas de refuerzo.
creto.
• Siempre que sea posible desde el punto de vista estructural, utilizar la opci ón más favorable de refuerzo de fibras metálicas.
9 .5 .2 9.4
R efu er zo s de fib ra s m et á licas
Geometrí a del t únel
Para minimizar el agrietamiento del revestimiento, el dise ño 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 geometrí a del perfil del túnel es crucial para poder reducir los efectos adversos de los momentos flectores; en general debe adoptarse una geometrí a semicircular, especialmente para la secci ón 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
Va r il l a s d e r e fu e r z o y m a l l a s e l e c tr os o l d ad a s
Se ha observado que las entradas de agua est án 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 secci ón 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 fisuraci ó n mediante refuerzos de fibras met á licas 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 expansi ón volumétrica. El número de fisuras producidas por los refuerzos convencionales de acero tiende a disminuir, pero las fisuras son m ás 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, podrí an actuar como ví as para el agua subterránea, y por tanto deben instalarse centrados en el agujero de perforaci ón 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 polim é ricas 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 redistribuci ón 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 met álicas (véase la fig. 69). 170
Retracción del cuerpo de perforación e inyección del cemento
Figura 70: Anclaje GSA para soporte permanente en suelo, particul armente en terrenos sueltos En la fig. 70 se muestra un ejemplo de un perno de anclaje permanente en donde se ilustra la secuencia de instalaci ón del anclaje «GSA » desarrollado por la compa ñí a 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
En todos los sistemas de pernos de anclaje (pernos CT o similares), la mezcla del cemento debe estar dise ñada para reducir la fisuración térmica y preferiblemente para ser tixotrópica, a fin de prevenir la socavaci ón durante el fraguado inicial. Para lograr estas propiedades se recomienda utilizar aditivos tales como MEYCO ® Fix Flowcable, que produce una resistencia media a la compresi ón a los 28 dí as superior a 70 MPa, sin cloruros, y prácticamente sin contracción o fisuración térmica.
9.7
nuir significativamente el acceso de agua es reducir los refuerzos de acero del revestimiento de shotcrete. Todos los detalles del dise ño requieren refuerzo de conexión desde el revestimiento de shotcrete de una secuencia de excavaci ón a la otra, tal como la conexión del revestimiento de la clave al hastial. Por tal raz ón, para reducir la entrada de agua, el diseño debe minimizar el número de juntas en el perfil de revestimiento del t únel, 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 galer í a piloto inicial. Los métodos de pared provisional individual o doble son sumamente comple jos 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 c í rculos negros para indicar una situación tí pica y el número de tales juntas.
Jun tas de cons trucc ión relacionadas con la secuencia de excavación
Método de clave-hastial-solera
En el caso del m étodo 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 subdivisi ón adicional del frente, se puede favorecer el método de agrandamiento del túnel piloto sobre los m étodos de paredes provisionales.
Método de excavaci ón con galerí a piloto
9.8
Método de «pared provisional individual» (dos secciones)
Método de «pared provisional doble» (tres secciones)
Juntas de construcci ón sencillas (primera capa): • Menor riesgo de entrada de agua • Estructuralmente seguro debido al proceso de construcci ón sencillo
Juntas de construcci ón complejas (primera capa): • Mayor riesgo de entrada de agua • Capacidad estructural reducida si se ejecuta incorrectamente
Figura 71: Tipos de juntas para los m étodo de excavaci ó n de t ú neles revestidos con shotcrete (só lo 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
M étodo SPTL de dos capas: juntas de construcción de la segunda capa
Tal como se discuti ó anteriormente, la segunda capa del m étodo SPTL de dos capas es de shotcrete. El sistema no debe tener juntas longitudinales aparte de la conexi ón 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 tí pico de los brazos de proyección con robot (fig. 72). A fin de reducir la entrada potencial de agua hacia la superficie interna del t únel, se deben escalonar las juntas circunferenciales en los extremos por un mí nimo de 0,5 m con relaci ón a las juntas de construcci ón 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 met álicas Distancia tí pica entre cerchas = 1 a 2,5 m
Junta de construcción formada con tubo de grouteo reinyectable para sellar juntas
Juntas de construcci ón de la primera capa de shotcrete
Segunda capa: shotcrete permanente reforzado con fibras met álicas y de polipropileno
Juntas de construcci ón en la segunda capa: distancias tí picas de 4 a 5 m. Las juntas de las segunda capa deben escalonarse con relaci ón a las de la primera capa.
Capa de acabado: mortero o gunita
agua hacia la superficie interna del t únel con consiguiente reducci ón en durabilidad. La adherencia a cortante y a tensi ón entre las capas puede garantizarse procurando que la primera capa sea lo suficientemente rugosa como para proporcionar un buen anclaje (v éase la fig. 73). Shotcrete reforzado con fibra met álica
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 inyecci ón 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 est á 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 inyecci ón a un mí nimo 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 monolí tica, es necesario que la adherencia entre la primera y la segunda capa de la uni ón esté ajustada a fricción y permita la transferencia de fuerzas de corte a lo largo de la uni ón. Debe evitarse instalar conectores de corte entre las dos capas, debido a que esto favorece la creaci ón de trayectorias de 174
Concretovaciado in situ o shotcretereforzado con fibras metálicas Adherencia a fricción establecida por una primera capa con superficie irregular limpia, y una segunda capa con baja contracci ón
M Momento flector N Presión circunferencial
Figura 73: Estructura SPTL de dos capas: Las fuerzas a cortante act ú an 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 presi ón para arrancar el polvo, holl í n 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 dise ño de mezcla de concreto que reduzca la contracci ón térmica inicial y la contracción por secado, disminuyendo el calor de hidrataci ón y usando un curado apropiado. Una vez que se haya logrado una buena adherencia, puede producirse el comportamiento monolí tico 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
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
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.
Acabado superficial
Luminaria
Según el papel previsto de la estructura del túnel, es posible proporcionar varios acabados superficiales con el m étodo SPTL, desde un acabado de shotcrete hasta una superficie alisada con llana.
9 .1 0. 1
Nive la ci ó n 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 t í pico de 25 mm. Se pueden agregar fibras de polipropileno a la mezcla, para controlar la microfisuración de superficie producida por efectos de secado t érmicos y superficiales (p. ej., mortero proyectable Emaco® S88-CA). El proceso de nivelaci ón es relativamente sencillo de realizar utilizando niveladores de 25 mm de diámetro, doblados para reflejar el perfil acabado del t únel. 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 t únel 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 t únel 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 sensaci ón de «ancho» al túnel. • Se reduce el consumo de energí a por ventilación e iluminación. • Se esconden accesorios de servicio en el hastial del t únel. • Se facilita un lí mite para la máquina de limpieza y se disimulan aquellas superficies sucias que no han sido limpiadas. • Se mejora la distribuci ón 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 m ás oscuro Reflectancia: 0,3
Á ngulo 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 t ú nel de autopistas de dos v as (Reino Unido) í
9 . 1 0. 2
S i s te m a s d e r e ve s ti m ie n to s
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, qu í micamente 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 m étodos de protección de los servicios de comunicaciones y el éctricos, y permiten aceptar un menor acabado superficial para los revestimientos de túneles mediante aplicación de shotcrete.
177
9.11
Durabilidad del shotcrete
En el capí tulo 6 se explican detalladamente los factores que influyen en la durabilidad de las estructuras de shotcrete.
9.12
Recomendaciones para la construcción
9 . 1 2. 1
R e qu is i to s d e a p li c ac i ó n
•
delaminaci ón, 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 dise ñador, el proceso de aplicaci ón debe conformarse a los siguientes criterios: • El concreto debe ser de alta calidad, con una mí nima variación de la misma.
Oscilador de boquilla automático para un acabado liso Giro de 360°
Figura 75: La proyecci ó n robotizada mejora la calidad del shotcrete.
• El sistema debe tener una relaci ón 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 homog éneo 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 granulometr í a apropiada. Así se logrará el efecto crí tico de reducir defectos de 178
Figura 76: La proyecci ó n robotizada facilita la operaci ó n de la boquilla.
• Se debe utilizar una unidad dosificadora automatizada del acelerante, que funcione a la par con la producci ón de concreto para facilitar una dosificación segura y uniforme. Las bombas dosificadoras deben ser capaces de distribuir suspensiones l í quidas 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 producci ón de •
•
• •
polvo para una mejor visibilidad a los trabajadores de la boquilla y mejor control de la proyecci ón. 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 proyecci ón (tales como el MEYCO® Robojet), los cuales permiten aplicar un shotcrete de calidad superior, con m ás seguridad y economí a (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 caracterí sticas de fraguado instantáneo. El m étodo 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 incorporaci ón del aditivo de curado interno MEYCO® TCC735. Ví a húmeda: agregados, cemento, agua, estabilizador, superplastificante (y fibras)
Acelerante
Bomba de dosificaci ón de acelerante integrada
Control de la dosificaci ón del acelerante y volumen de aire en la bomba
Conducci ón de corriente densa Aire comprimido
ví a húmeda tiene ventajas económicas significativas sobre el proceso por ví a seca.
9 . 12 . 2
P au ta s de s el ec c i ó n en sistemas m odernos de aplicaci ó n
Dados los requisitos especificados en la secci ón 9.12.1, se aconse ja encarecidamente emplear únicamente procesos de ví a humeda para el shotcrete utilizado en la construcci ón de revestimientos de túneles de una pasada, para as í procurar buenas caracterí sticas de seguridad, calidad y productividad, lo cual llevar á a revestimientos permanentes duraderos.
9.13
Sistemas de manejo de riesgo
Tal como ocurre en muchos problemas de ingenier í a, 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 geolog í a entre barrenos o caracterí sticas 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 geometrí a del perfil.
Acelerante
• Salida: 6 a 25 m3 /h Rebote: Agregados 5 –10% Fibras metálicas 10 – 30%
Figura 77: Proceso por v a hú meda í Dados los requisitos anteriores, para la construcci ón de revestimientos duraderos es muy recomendable utilizar únicamente el proceso de aplicación de shotcrete por ví a húmeda (fig. 77). Actualmente el proceso por ví a húmeda es el único método viable para obtener calidad, particularmente en cuanto al control de la relación aguacemento (algo crí tico para la durabilidad del concreto y la resistencia a largo plazo). Adicionalmente, se ha demostrado que el proceso por
180
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 podrí an 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 dise ño, 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 crí ticos. Incertidumbres de dise ñ o
Control de co nstrucció n
Condiciones geol ógicas
Caracter í sticas 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 deber án 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 t únel. Todos los datos de control deberán entregarse al equipo de diseño para su análisis adicional, lo cual permitirá alterar las secuencias o labores de construcci ón sucesivas, o los requisitos de soporte.
Carga del tratamiento de suelos
Riesgo
Supervisión
Equipo de proyecto integrado
Adiestramiento
Capacitaci ón
Control
Interpretación
Manejo É xito del sistema SPTL
Figura 78: Modelo simplificado que ilustra c ó mo manejar los riesgos asociados con las incertidumbres del dise ño mediante un control activo de la construcci ó n. 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 construcci ón 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 construcci ón con shotcrete como sistema de soporte permanente; • conozca la tecnologí a 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 construcci ón, los aspectos de seguridad crí ticos del diseño, calidad y control de construcción. Debe hacerse especial hincapi é 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 supervisi ón y evaluación de los resultados del control. Se recomienda realizar reuniones t écnicas 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 t érmico y a la geometrí a 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 est én directamente en contacto ví a membrana-substrato. Esto puede conducir a cargas asim étricas del revestimiento del túnel. • Para facilitar la colocaci ón 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 dise ñado Masterseal® 340F, una membrana proyectable polim érica 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 dispersi ón 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
T ú neles SPTL con ac ceso ac tivo de agua
En la fig. 80 se muestra una solución que puede aplicarse para t úneles 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, t í picamete instalado en los laterales del revestimiento del t únel.
T ú neles 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 t úneles de SPTL construidos sobre el nivel fre ático 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 est án 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 retí cula 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: Aplicaci ó n 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 aplicaci ón económica de una membrana de 5 a 8 mm de espesor. A continuaci ón 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 monol í tico, 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 pl ástica
Shotcrete permanente estructural
Figura 80: Aplicaci ó n de Masterseal ® 340F en la superficie interna del revestimiento estructural, para casos de acceso activo de agua y altas cargas hidrost áticas
9 . 14 . 3
R eh a bi li ta c ió n de t ú neles
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.
Capí tulo 10 Guí a de aplicación del shotcrete
Capa de shotcrete permanenteestructural
En este capí tulo se describen las operaciones crí ticas 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 m ás importantes es la técnica de manipulaci ón de la boquilla.
Membrana proyectable Masterseal® 340F Capa selladora de mortero proyectable
El advenimiento del método de proyección por ví a húmeda ha promovido el uso de brazos de proyecci ón 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, mamposter í a, concreto, etc.
Figura 81: Masterseal ® 340F aplicado a una estructura existente como un elemento de la obra de rehabilitaci ó n 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 aplicaci ón 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 crí tico de seguridad que requiera especial atenci ón durante la proyección, p. ej., juntas de construcción complejas tales como las del m étodo de construcción de pared lateral, según se indica en la fig. 82. Inmediatamente después de la excavación y antes de la aplicaci ón del shotcrete, se deben tomar fotografí as o hacer una evaluaci ón geol ógica del terreno expuesto siguiendo los procedimientos del proyecto de construcción del t únel. Para que haya una adherencia eficaz del shotcrete al substrato, se debe preparar la superficie de adherencia humedeci éndola 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 tuber í as 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 mí nimo de 28 dí as 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 tuber as preinstala í das antes de la aplicaci ó n del shotcrete
Placas separadoras
Cercha de perfil principal
En cualquier aplicaci ón de shotcrete es importante en todo momento utilizar equipos de protección personal, y disponer de condiciones apropiadas de ventilación e iluminación.
Barras de conexi ón en L T16
Chapa de unión entre cerchas
Malla electrosoldada
10.2
Figura 82: Método de pared lateral. T picamente, la uni ó n entre la í pared temporal y un revestimiento principal est á fuertemente refor zada (tal como se indica en el dibujo de la derecha). Esta junta requiere una buena compactaci ó n del shotcrete para garantizar la estabilidad del r evestimiento 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 v í a húmeda). Todas las lí neas 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 operaci ón, se deberán inspeccionar regularmente la trabajabilidad y el tiempo de preparaci ón de la mezcla a fin de determinar si la misma está aún fresca y bombeable. En ninguna circunstancia se debe a ñadir agua a la mezcladora ni tampoco utilizar mezclas antiguas que se hayan hidratado. Por tal motivo, para 189
cualquier proyecto se recomienda en todo momento utilizar aditivos para el control de la hidrataci ón tales como el estabilizador Delvo®crete. Cuando se emplean mezclas de shotcrete aceleradas, es esencial no aplicar shotcrete a la obra antes de comprobar que el shotcrete exhiba las caracterí sticas de fraguado adecuadas. Por lo general, dicha comprobación se hace proyectando el material directamente a la fachada del t únel 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 proyecci ón especí fica.
1 0.3
M en os r eb ot e, más calidad
Deficiente
e t e r c t o h s
) % ( e t o b e R
l e d
Razonable
Buena
Un operario de boquilla experimentado entiende la necesidad de aplicar el shotcrete de una manera que minimice el riesgo de ca í da de bloques flojos del material hacia el área de trabajo del túnel, pero que al mismo tiempo evite el desprendimiento o incluso la ca í da 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 t únel 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 mí nimo cuando sea posible. Toda superficie que vaya a recibir una capa nueva debe estar h úmeda y libre de materiales sueltos. 190
d a d i l a C
Excelente
0°
90°
0°
1%
4 a 8%
+ 10 %
0.2 m
1 – 2 m
+3m
Clave
Paredes laterales
Solera
Paredes laterales
Clave
Á ngulo entre la boquilla y el substrato Dosificación del acelerante sin álcalis Distancia de la boquilla al substrato Á rea de aplicación en el túnel
Figura 84: Efecto de los principales par á metros de proyecci ó n sobre el rebote y la calidad del shotcrete El rebote producido durante la proyecci ón 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 ví a 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 m ás importantes que influyen en el rebote originado durante la aplicaci ón de shotcrete tanto por ví a seca como por ví a húmeda. Los valores indicados para las mezclas secas son conservadores. En la fig. 84 se supone un dise ño optimizado de la mezcla (especialmente en lo que se refiere a la granulometrí a y a la relación agua/cementante) tal como se describe en el capí tulo 3.
191
Los cuatro factores que influyen principalmente en la cantidad de rebote producido son: • Á ngulo entre la boquilla y el substrato • Dosificaci ón del acelerante • Distancia de la boquilla al substrato • Á rea de aplicación en el túnel
Á ngulo de la boquilla D i s t a n c i a a l a b o q u i l l a
Figura 86: La distancia de la boquilla al substrato influye en el rebote y la compactaci ó n.
Figura 85: El á ngulo 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 met álicos, 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 proyecci ón 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 dispersar á el material depositado; en caso de que sea necesario reducir la distancia, se debe disminuir la salida y mover la boquilla con m ás 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 dosificaci ón de acelerantes puede afectar la cantidad de rebote. Una cantidad demasiado pequeña de acelerante no proporcionar á un fraguado adecuado ni tampoco suficiente desarrollo de la resistencia, y por tanto la próxima pasada de la boquilla arrancar á 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 instant áneo crea una superficie dura que ocasiona el rebote de las partí culas culas grandes de agregado y evita una compactación completa, lo cual lleva a menor resistencia y durabilidad del revestimiento de shotcrete. Para aplicaci ón en las secciones de clave de los t úneles, se debe establecer una relación óptima de dosificaci ón del acelerante a fin de lograr una eficaz rapidez de aplicación del material, con mí nimo nimo rebote y sin comprometer las propiedades requeridas del revestimiento de concreto fraguado. La nueva lí nea nea de acelerantes libres de álcali MEYCO® SA de MBT ofrece una amplia gama de valores de dosificaci ón relativamente bajos que permiten una alta rapidez de aplicación del espesor además de un buen rendimiento del concreto a largo plazo.
irregular, provocando desví os os del chorro a distintos ángulos. En tales casos se aconseja trabajar con una capa inicial de shotcrete que actúe como un «colch ón» para recibir el revestimiento de shotcrete estructural.
10.4
Proc es eso po por ví a húmeda y brazos de proyección robotizada
El brazo mecanizado de la máquina MEYCO® Robojet se mantiene paralelo a la superficie de shotcrete durante la proyecci ón.
Otros factores que pueden influir en el grado de rebote (y por ende en la calidad del shotcrete) son: Refuerzoss de mallas electro electrosoldadas soldadas • Refuerzo
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 sistem ática (capa por capa), y bajo ninguna circunstancia deber á aplicarse shotcrete a través de parrillas de refuerzo completas.
Oscilador de boquilla automáático para un autom acabado liso Giro de 360 °
Volu olu m en , pre s i ó n y alimentaci ó n de aire • V Se debe emplear el volumen y la presi ón de aire especificados por el fabricante del equipo de aplicaci ón del shotcrete. La bolsa de aire debe tener el tamaño definido para el sistema; las boquil-
las deben ser inspeccionadas para ver si hay desgaste (el desgaste podrí a 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
Figura 87: Brazo de proyecci ó n MEYCO® Robojet: distancia y correctos para lograr menos menos rebote y m á s calidad á ngulo correctos 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 proyecci ón manual de mezclas secas.
195
Todos estos problemas se han reducido enormemente gracias a los aditivos modernos aplicados al shotcrete de v í a húmeda, los cuales permiten un comportamiento plástico inicial de la mezcla. Durante algunos minutos después de la aplicaci ón, 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 obtenci ón de una compactación adecuada utilizando la presión y el volumen adecuado de aire, se han reducido mediante el uso de brazos de proyecci ón asistidos por computadora o «robotizados», especialmente en t úneles 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 autom ático 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 autom ático del equipo MEYCO® Robojet Logica, tal como se describe en el cap í tulo tulo 7.2.1.1.
10.5 10 .5
Dest De stre reza za de dell ope opera rari rio o
Los operarios de boquilla deben tener experiencia previa en la aplicación del shotcrete permanente, así como como también conocer el proceso de aplicaci ón de shotcrete a emplearse en el proyecto especí fico. 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 aplicaci ón 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 consideraci ón en el dise ño conduce a simplificar e incluso eliminar elementos crí ticos ticos que puedan afectar la seguridad o la durabilidad, para facilitar la construcción de la obra. Además, el personal de dise ño debe estar al tanto de las limitaciones de los procesos de construcci ón, y estar familiariza familiariza-do con el probable rendimiento del material. Las especificaciones especificaciones modernas del shotcrete tratan sobre los factores para lograr un diseño de mezcla moderno y de calidad controlada, suministrando una gu í a para facilitar la durabilidad y la ejecuci ón eficaz de los procesos de proyecci ón. Como ejemplo, la nueva Especificaci ón Europea del Shotcrete (1996) emitida por EFNARC, describe sistemas completos para lograr un shotcrete permanente. Esta especificac especificaciión 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 especificaci ón de la EFNARC trata adem ás 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 Geot écnica y Construcción Subterránea (con sede en Suiza) ofrece un innovador servicio de adiestramiento adiestramiento y capacitaci ón en la tecnologí a de shotcrete moderna. Entre los cursos ofrecidos figuran clases espec í ficas ficas 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 aplicaci ón tenga conocimiento de asuntos t écnicos concretos, particularmente 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
Capí tulo tulo 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 economí a
H úßmedo/fibras Na /Stahlfaser
Investitionskosten
11.1
Costo de inversió n
Ejemplo de cálculo
Costo de materiales
Ya hemos hablado de las razones que justifican utilizar shotcrete reforzado con fibra metálica aplicado por v í a h úmeda. 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. 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 ví a seca: 30 %; rebote del método por ví a 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 dise ño de mezcla, incluyendo el acelerante agregado en la boquilla. El costo del rebote comprende la pérdida de materiales, el costo de proyecci ón adicional para compensar el rebote y el costo de retirar el rebote. El costo de soporte equivale a todos los costos directos de la aplicaci ón 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 v í a húmeda reforzado con fibras metálicas, se reduce a un 42 % del costo total del shotcrete por v í a seca reforzado con malla de acero. La razón principal de esta reducci ón de costos tan notable se muestra en la fig. 88 (tiempo de finalización): para lograr el mismo volumen de soporte, el shotcrete por v í a h úmeda reforzado con fibras metálicas necesita únicamente el 17 % del tiempo utilizado para la proyecci ón por ví a seca con refuerzo de malla electrosoldada .
198
Seco/malla Trocken/Stahl
Materialkosten
R ü ckprallkosten Costo de rebote Sicherungskosten
Costo de soporte Einbauzeit
Tiempo de finalización 0 % 1 0 0 % 2 0 0 % 3 00 00 % 4 00 00 %
Figura 88: Comparaci ó n entre el material material por por v a hú meda y refuerzo í de fibras, y el material por v a seca y refuerzo refuerzo de malla malla electroso electrosoldada ldada í
11.2
Conclusiones
La tecnologí a de shotcrete por ví a húmeda ha alcanzado una etapa de desarrollo que permite producir shotcrete duradero de alta calidad para aplicaciones de soporte permanente. Adem ás, el uso de fibras metálicas ofrece ventajas técnicas adicionales cuando se requiere utilizar refuerzos. En la mayorí a de los casos, el uso de shotcrete por v í a húmeda reforzado con fibras metálicas como soporte permanente ofrece ventajas significativas. Debe asegurarse que el m étodo de diseño permita este soporte permanente. Otras ventajas importantes – log í stica stica sumamente flexible, seguridad laboral y buenas condiciones ambientales – complementan el conjunto de razones que favorecen la tecnolog í a de shotcrete por ví a h úmeda. No se trata de un experimento... ¡los resultados están comprobados y a la vista!
199
Capítulo 12 Aplicaciones futuras del shotcrete Hoy en dí a el shotcrete es utilizado mayormente para aplicaciones de soporte de rocas (en las que soluciona muchos problemas dif í ciles), 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 c úbicos al año. Creemos que esta tendencia continuará en los años venideros. Los puntos siguientes resumen las prácticas y tendencias internacionales: La tecnologí a de shotcrete aplicado por ví a húmeda ha llegado a un estado de desarrollo que permite la producci ón de shotcrete duradero de alta calidad para aplicaciones de soporte permanente. Es posible obtener aún m ás ventajas técnicas cuando se requiere refuerzo y se añade fibra metálica. El potencial de ahorros de tiempo y costos en la aplicaci ón de shotcrete de ví a húmeda reforzado con fibra metálica como soporte permanente es significativo en la mayor í a de los casos, y extraordinario en ciertas situaciones. Otras ventajas importantes tales como la alt í sima flexibilidad de logí stica y las excelentes condiciones de seguridad del ambiente y del trabajo complementan la variedad de razones que favorecen el uso de la tecnolog í a de shotcrete por ví a húmeda. Ya no se trata de un experimento: los resultados est án 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 ví a húmeda sobrepasa la aplicación por ví a seca (tendencia que sigue en aumento). • Si bien todaví a se utiliza más refuerzo de malla electrosoldada, la proporci ón de shotcrete reforzado con fibras metálicas sigue en aumento.
• La tecnologí a 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
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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 ví a húmeda Proceso por ví a seca Dosificaci ón automática Proyecci ón a control remoto
225 225 226 226 227 227
Ensayos de aceptación y ensayos en obra General Desarrollo del dise ño de la mezcla Ensayos en obra Certificación de los operarios
229 229 229 229 232
Producción y transporte Dosificaci ón 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 flexi ón y de gr ado de res is ten cia res idu al Ensayo de adherencia Ensayo de durabilidad/permeabilidad Densidad seca, absorci ón en ebullici ón y volumen de vací os Contenido de fibra Ensayo de fibras Ensayo de trabajabilidad Falta de conformidad con los criterios establecidos
240 240 241 2 42 243 243 244 244 245 245 245
Métodos de ensayo General Exudaci ón del cemento Ensayo de acelerantes Disminuci ón de resistencia Ensayo con mortero (sin acelerante, mezcla de mortero b ásica) 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 m ás avanzada y completa especificaci ón para todas las aplicaciones de shotcrete (tanto sobre la superficie como subterr áneas), salvo trabajos de reparación. Debe seguirse totalmente a menos que se especifique lo contrario. En conformidad con las pr ácticas modernas, en esta especificación particular no se incluye el refuerzo de malla. Se deben utilizar refuerzos de fibra met álica 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 ví a húmeda para el shotcrete tipo S2 y S3, en conformidad con las pr ácticas modernas. No obstante, para el shotcrete tipo S1 pueden utilizarse equipos por ví a húmeda o por ví a seca.
209
P á rrafo 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 met á lica (SFRS) Shotcrete al cual se le agregan fibras metálicas durante la dosificaci ón, el mezclado o durante el proceso de aplicaci ón, 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 caracterí stica del shotcrete tipo S1 a los 28 dí as es 45 MPa.
Shotcrete tipo S2 Shotcrete reforzado con fibra metálica, aplicado como un revestimiento permanente para sostener cargas permanentes. La resistencia caracterí stica del shotcrete tipo S2 a los 28 dí as 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 caracterí stica del shotcrete tipo S3 a los 28 dí as es 30 MPa. Proceso por v í a s ec a 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 condici ón seca. La mezcla se alimenta a una maquinaria, en donde es presurizada, y transportada neumáticamente por mangueras o tuberí as hasta una boquilla, en donde se le agrega agua y se le a ñade un acelerante antes de ser proyectada al substrato sin interrupción.
Método por vía húm eda Proceso de producci ón 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.
Adit ivos 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 pulverizaci ón de un clí nquer y que cumple con los requisitos de los requisitos para los grados BS 12, BS 6588, BS 4027 o BS 1370 seg ún sea apropiado.
Cemento compuesto Aglomerante hidráulico, fabricado mediante un proceso controlado en el cual se combina un cl í nquer de cemento Portland o cemento en proporcio-
211
nes especificadas con un aglomerante hidr áulico latente compuesto de cenizas volantes. Cumple con los requisitos del grado BS6588.
Concreto con micros í l ice Concreto manufacturado en la mezcladora de concreto combinando cemento Portland que cumple con los requisitos para los grados BS12 o BS4027 y un aglomerante hidr áulico latente de microsí lice (humo de s í lice compactado).
Í n dice de actividad de la micros í l ice Relaci ón en porcentaje entre la resistencia a compresión de cubos estándar de mortero (preparados con 90 % de cemento más 10 % de microsí lice en masa), y la resistencia a compresi ón de cubos estándar de mortero (hechos exclusivamente de cemento) (Ref.: Norma noruega NS3045).
Resistencia a compresi ó n en cubos Resistencia a la compresi ón de probetas cúbicas fabricadas, curadas y ensayadas siguiendo la norma BS 1881: Partes 1, 3 y 4. Resistencia caracter í s tica a los 28 d í as Valor de resistencia a compresión en cubos a los 28 dí as. Se prevé que el 5 % de todas las medidas de resistencia posibles caiga por debajo de este valor. (Las resistencias caracterí sticas incluidas en esta especificación particular se dan únicamente para fines del desarrollo del dise ño de la mezcla y para información de los ingenieros de dise ño.) Resistencia a compresi ó n 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 P á rrafo 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 seg ún 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 especí fica no debe ser inferior a 350 m2 /kg ni superior a 450 m2 /kg, cuando se ensaye conforme a BS EN196: Parte 6. Los lí mites 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 P á rrafo 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: : >10 MPa – después de 2 dí as – después de 28 dí as (28 dí as ± 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: : >20 MPa – después de 2 dí as – después de 28 dí as (28 dí as ± 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 aprobaci ón del ingeniero, con referencia particular al uso de acelerantes sin álcalis no cáusticos.
213
Agl om er an tes hi dr á ulicos latentes P á rrafo 3 La microsí lice (humo de sí lice compactado) debe cumplir con los siguientes requisitos: a) Polvo seco – Contenido de sí lice (SiO2 ) no menor del 85 %. – La microsí lice no debe contener más de 0,2 % de metal sí lice en masa, ni materiales perjudiciales tales como cuarzo, óxidos o fibras de celulosa. – Tamaño de partí cula: entre 0,1 µm y 0,2 µm. – Fineza: El área superficial espec í fica no debe ser menor que 15 000 m2 /kg. – Contenido de álcalis totales como Na 2O equivalente <2 %. – Contenido de carbono: <2%. – Índice de actividad: >95 % despu és de 28 dí as – Contenido de humedad: <3 % – S03 (agua soluble): <1 % b) Lechada de microsí lice/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 microsí lice/agua deben agita se periódicamente mediante bombas de circulaci ón antes de su uso. e) Establecer la compatibilidad de la microsí lice y los aditivos l í quidos mediante uno de los dos métodos siguientes: – verificación de los datos de ensayos anteriores o de la experiencia práctica, o – realizaci ón de los procedimientos apropiados de ensayos acelerados, según la aprobación del ingeniero. f) Determinar el contenido óptimo de microsí lice durante los ensayos en obra, y el mismo debe cumplir con esta especificación particular P á rrafo 44 ).
P á rrafo 5 A menos que el ingeniero especifique lo contrario, el tamaño nominal de partí cula debe ser 8 mm. P á rrafo 6 El diez por ciento de finos debe ser superior a 100 kN seg ún lo determina el método especificado en BS812: Parte 3:1990. P á rrafo 7 Los agregados de un tama ño deben combinarse en las proporciones determinadas durante los ensayos en obra. Las fracciones individuales deben almacenarse por separado. P á rrafo 8 Los agregados gruesos y finos deben estar limpios. La granulometr í a debe estar dentro de los lí mites aceptables, y siempre que sea posible, dentro de los lí mites especificados en la curva de granulometr í a 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 o d i n 40 40 e t e r 50 50 e j a t 60 60 n e c r 70 70 o P 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
Agr eg ad os
Figura A.1: Curva de granulometr í a recomendada para agregados de shotcrete
P á rrafo 4 Además de los requisitos de esta especificaci ón particular, los agregados del shotcrete deben cumplir con BS882 y con las «Especificaciones de materiales y trabajos» del concreto.
214
P á rrafo 9 La fracción de grava del agregado no debe estar excesivamente fragmentada al llegar a la obra. No debe haber m ás de 3 % de part í culas con tamaños menores que 0,075 mm (determinado según el método de lavado y tamizado de BS812: Parte 103.1:1985). 215
P á rrafo 10 Determinar la reactividad del agregado con cementantes y aditivos (incluyendo acelerantes) mediante el método ASTMC1260 (test de Vicat). P á rrafo 11 Diariamente, el contratista debe inspeccionar y anotar la granulometrí a y el contenido de humedad de las fracciones individuales del agregado. P á rrafo 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 %.
P á rrafo 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). P á rrafo 19 No emplear fibras que tiendan a formar bolas durante la dosificaci ón y la mezcla.
Agu a P á rrafo 13 El agua debe cumplir con las «Especificaciones de materiales y trabajos en concreto ».
Fibras P á rrafo 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 frí o sin galvanizar. P á rrafo 15 Las fibras pueden estar separadas individualmente o unidas mediante una cola soluble en agua. P á rrafo 16 Almacenar las fibras en recipientes sellados (secos) hasta el momento de utilizarse. Las fibras no deben exhibir corrosi ón, 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. P á rrafo 17 Las fibras deben tener una relaci ón 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
P á rrafo 28 No emplear water glass (silicatos sódicos), salvo en el caso de bases poliméricas modificadas aprobadas por el ingeniero.
Aditivos General P á rrafo 20 Además de cumplir con los requisitos de esta especificaci ón particular, los aditivos deben también cumplir con las «Especificaciones de materiales y trabajos en concreto». P á rrafo 21 No utilizar, sin la aprobación escrita del ingeniero, aditivos cuyos prop ósitos no estén indicados por las «Especificaciones de materiales y trabajos » o por esta especificación particular. Se le exigir á al contratista suministrar la documentación que respalde el uso de dichos materiales. P á rrafo 22 Los aditivos deben estar libres de cloruros (menos de 0,1 % en peso). P á rrafo 23 Antes de comenzar la proyección, acordar con el f abricante de los aditivos los valores caracterí sticos y la consistencia requerida. P á rrafo 24 Seguir las recomendaciones de almacenamiento y uso de los aditivos. P á rrafo 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. P á rrafo 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 confirmaci ón por escrito al respecto.
Ac el er an tes P á rrafo 27 Utilizar únicamente acelerantes lí quidos.
218
P á rrafo 29 Sólo debe permitirse la mí nima 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 á lcalis y no c áusticos 10% 8% 8%
Acelerantes agresivos 8% 3% 3%
(porcentaje de peso por aglomerante)
P á rrafo 30 Antes de comenzar la proyección, realizar oportunamente los ensayos de los acelerantes para determinar la aceleraci ón del fraguado, el desarrollo de resistencia inicial y la disminuci ón de la resistencia a etapas posteriores (28 y 90 dí as) (según esta especificaci ón particular). P á rrafo 31 Llevar a cabo ensayos de laboratorio de las clases seleccionadas de acelerantes libres de álcalis, según esta especificaci ón 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 dosificaci ón. P á rrafo 32 Seleccionar acelerantes que, en la dosificaci ón elegida para la obra, minimicen la disminución de resistencia para cualquier tipo de shotcrete a los 28 dí as, en comparación con el concreto base sin acelerantes. Dicha disminuci ón 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 aprobaci ón del ingeniero. P á rrafo 33 Según esta especificación particular, cada dos meses (como mí nimo) 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 disminuci ón de resistencia al cabo de 219
28 dí as. 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 lí mites de la temperatura de trabajo, as í como también sus instrucciones de seguridad.
Plastificantes y retardadores de fraguado P á rrafo 34 Los plastificantes y retardadores de fraguado deben cumplir con la norma BS5075: Parte 1, y podrí an utilizarse en shotcrete tipos S1, S2 y S3, según las «Especificaciones de materiales y trabajos en concreto » y sujeto a la aprobaci ón del ingeniero. P á rrafo 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 seg ún esta especificación particular.
P á rrafo 39 Se pueden utilizar aditivos para el control de la hidrataci ón 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. P á rrafo 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. P á rrafo 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 v í a seca.
P á rrafo 36 Los plastificantes y retardadores de fraguado deben ser inspeccionados periódicamente o según lo determine el ingeniero, para determinar el t iempo de fraguado, la reducción de agua y el desarrollo de resistencia en comparación con el concreto base. P á rrafo 37 Verificar la compatibilidad de plastificantes y retardadores de fraguado con los cementos, aglomerantes hidráulicos y acelerantes. Efectuar tal verificación mediante ensayos en obra.
Adit ivos pa ra el c on trol de la hi dr ata c i ó n P á rrafo 38 Se pueden utilizar aditivos para el control de la hidrataci ón 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 hidrataci ón utilizados en shotcrete tipo S2 y S3 deben estar libres de constituyentes qu í micos que provoquen una disminución de la resistencia con el paso del tiempo, diferente a lo especificado en el P á rrafo 32 de esta especificación particular.
220
221
Requisitos particulares
Tabla A.1: Requisitos m í nimos de desempe ño del shotcrete Parámetro
Método de ensayo/ Párrafo n.°
Equipos
Shotcrete tipo S1
Shotcrete tipo S2
Shotcrete tipo S3
Resistencia a compresión (cubos) in situ****
P á rrafo 42 El shotcrete puede aplicarse bien sea por ví a húmeda como por ví a seca, según los requisitos de esta especificaci ón particular, P á rrafo 48.
Ensayos en obra
E ns ay os e n l a o br a
Requisitos de des empe ñ o
1 dí a
BS EN 12504-1:2000
8 MPa
**
**
7 dí as*
“
21 MPa
20 MPa
** 25 MPa
28 dí as
“
35 MPa
28 MPa
1 dí a
“
8 MPa
**
**
7 dí as*
“
21 MPa
20 MPa
**
28 dí as
“
35 MPa
28 MPa
25 MPa
Resistencia a la flexión
P á rrafo 43 En la tabla A.1 se muestran los requisitos m í nimos de desempeño.
Ensayos en obra
28 dí as
EFNARC (1996),
4,2 MPa
3,6 MPa
**
E ns ay os en la ob ra
2 8 d í as
Sección 10.3
4,2 MPa
3,6 MPa
**
Grado de resistencia residual
Requisitos particulares de m ezcla P á rrafo 44 En la tabla A.2 se muestran los requisitos particulares de mezcla que deben cumplir los diseños de mezcla seg ún esta especificación particular (véase el P á rrafo 71 ).
Otros requisitos particulares P á rrafo 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.
28 dí as
EFNARC (1996)
Grado 3
E ns ay os en la ob ra
2 8 d í as
Sección 10.3
Grado 3
Grado 1
**
Resistencia de adherencia a la roca***
P á rrafos 160 166
0,5 MPa
0,5 MPa
**
Prueba de durabilidad/ permeabilidad (penetración máxima)
P á rrafos 157 159
**
30 mm
**
Densidad seca 28 dí as (todas las pruebas a los 28 d í as)
ASTM C642-97
2275 kg/m3
2275 kg/m3
2275 kg/m3
Absorción en ebullición 7 dí as (todas las pruebas a los 7 d í as)
ASTM C642-97
M áx. 9%
Máx. 8%
**
Volumen de vací os 7 dí as (todas las pruebas a los 7 d í as)
ASTM C642-97
M áx. 19%
Máx. 17%
**
Tiempo de fraguado inicio
BS EN 196-3
final
P á rrafo 46 El shotcrete debe ser denso y homogéneo, sin segregaci ón de agregados ni fibras, ni otras imperfecciones visibles. P á rrafo 47 El shotcrete tipo S2 no debe desarrollar fisuras de contracci ón 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 proyecci ón mayores que 10 m x 10 m aplicadas en obra, seg ún esta especificación particular.
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Grado de deformaci ón normal Grado 1 **
Ensayos en obra
9 minutos
**
**
60 minutos
**
**
* = Pruebas utilizadas únicamente con prop ósitos indicativos * * = N o me di do *** = Este requisito no se aplica cuando el tipo de roca no permita adherencia despu és de una limpieza adecuada y a la satisfacci ón del ingeniero. **** = Los requisitos suponen que las pruebas se efectuar án en núcleos perforados seg ún los P á rrafos 77 a) y b) o P á rrafo 125, es decir, raz ón altura/di ámetro 1:1, y contemplan un factor de reducci ón (0,85) por la extracci ón in situ. Véanse tambi én los P á rrafos 84 ó 129.
223
Tabla A.2: Requisitos particulares de la mezcla
Equipos
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 micros í lice
Cemento Portland Clase 42.5 o 52.5N y micros í lice
Cemento Portland Clase 42.5 o 52.5N y micros í lice
400 kg/m3
400 kg/m3
400 kg/m3
Contenido cementante mí nimo* Máxima relaci ón agua**/cementante Contenido de microsí lice
0,5
0,45
0,45
5 –10% (4–8% cuando se combina con cemento compuesto con cenizas volantes)
5–10%
5–10%
***
Fibras: Mí nima resistencia a tracci ón
>800 MPa
>800 MPa
Mí n ima longitud
25 mm
25 mm
***
Máxima longitud
40 mm
40 mm
***
Contenido mí nimo*
40 kg/m3
40 kg/m3
***
*
= E n la obra
**
= El agua incluye el contenido lí quido de los aditivos l í quidos.
*** = No se utili za
General P á rrafo 48 El shotcrete tipo S2 y S3 debe aplicarse únicamente por ví a húmeda. El tipo S1 puede también aplicarse por v í a seca. P á rrafo 49 Todos los equipos utilizados para la Dosificaci ón y mezclado de materiales y para la aplicaci ón 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 informaci ón 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 proyecci ón y los equipos auxiliares tengan la capacidad adecuada para los vol úmenes de aplicación. Es necesario disponer de un sistema de reserva consistente en planta y equipos auxiliares durante las operaciones de excavaci ón. El aire comprimido para los equipos debe estar limpio, seco y libre de aceite, y tener la presi ón de operación y volúmenes especificados por el fabricante. P á rrafo 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 mí nimo rebote y máxima adherencia y densidad. P á rrafo 51 Los equipos deben estar a prueba de fugas. P á rrafo 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 hidrataci ón), con el objeto de prevenir acumulaciones de residuos. P á rrafo 53 Las tuberí as o mangueras de transporte deben colocarse en lí nea recta o en curvas muy suaves. Deben tener un di ámetro uniforme apropiado para las caracterí sticas de la mezcla y las fibras (determinadas mediante los
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ensayos en obra) y estar libres de dobleces o muescas entre el equipo de proyecci ón y la boquilla. P á rrafo 54 Los equipos deben permitir la aplicaci ón de shotcrete a todas las superficies, con la boquilla colocada a las distancias desde las superficies que cumplan esta especificación particular. P á rrafo 55 Durante la operación de proyección, las áreas de trabajo deben estar bien iluminadas según la aprobaci ón del ingeniero. Las l ámparas montadas en los cascos de seguridad no constituyen suficiente iluminaci ón. Minimizar la contaminación de polvo utilizando equipos apropiados y ventilaci ón adicional, rociado de agua, y mediante el buen mantenimiento de los equipos. Todos los operarios deben utilizar ropa protectora y caretas antipolvo.
Mé todo por v í a h ú meda P á rrafo 56 Configurar los equipos para el m étodo por ví a húmeda siguiendo las recomendaciones del fabricante. P á rrafo 57 Garantizar el bombeo continuo del concreto base con una m í nima pulsación. P á rrafo 58 Los equipos deben permitir el uso de cualquier combinaci ón de aire y agua para efectos de preparación de las superficies o limpieza del trabajo terminado, según esta especificación particular.
Proceso por v í a s ec a P á rrafo 59 Los equipos para el proceso por v í a seca (véase el P á rrafo 48 ) deben configurarse siguiendo las recomendaciones del fabricante. P á rrafo 60 El diseño de los equipos para el proceso por v í a seca debe permitir aplicar el shotcrete sin crear polvo en una cantidad que supere al creado por un método por ví a húmeda equivalente. Tal cosa debe quedar demostrada mediante ensayos en obra a la satisfacción del ingeniero. 226
P á rrafo 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.
Dosificaci ó n autom á tica P á rrafo 62 No se permite la dosificación manual de los aditivos. P á rrafo 63 Cada máquina a utilizarse para el método por ví a húmeda debe incorporar: a) Un sistema de control de memoria programable para coordinar y controlar todas las funciones del equipo, incluso la dosificaci ón 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 producci ón 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. P á rrafo 64 Los equipos para el proceso por ví a seca (véase el P á rrafo 48 ) deberán incorporar bombas de dosificaci ón que suministren aditivos lí quidos al agua con una exactitud de ±1 % de la dosificaci ón requerida, y deben calibrarse y operarse de acuerdo con las instrucciones del fabricante.
Proyecci ó n a control remoto P á rrafo 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 ví a húmeda salvo en circunstancias especiales, sujeto a la aprobaci ón del ingeniero. P á rrafo 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 articulaci ón y otras funciones de la boquilla.
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P á rrafo 67 Utilizar, limpiar y mantener los equipos según las instrucciones del fabricante.
Ensayos de aceptación y ensayos en obra General P á rrafo 68 Leer las cláusulas siguientes junto con los requisitos de esta especificaci ón particular (véase el P á rrafo 87 , «Certificación de los operarios» ). P á rrafo 69 Los ensayos en obra deben comenzar lo antes posible para garantizar el desarrollo de las mezclas de shotcrete requeridas y la culminaci ón satisfactoria de todas las pruebas para el momento de comienzo de la proyección de cada tipo de shotcrete. No comenzar la proyecci ón de ningún tipo de shotcrete antes de finalizar todas las pruebas especí ficas y de que todos los resultados de laboratorio estén aprobados por el ingeniero. P á rrafo 70 Para los ensayos en obra: utilizar los equipos y materiales definitivos de la obra.
Desarrollo del dise ñ o de la mezcla P á rrafo 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 caracterí stica a los 28 dí as para el shotcrete, más un margen de 12 MPa aplicado a la figura resultante.
Ensayos en obra P á rrafo 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-
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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. P á rrafo 73 Un operario experimentado debe preparar suficientes paneles de prueba utilizando la mezcla de prueba. Cada panel debe tener un tama ño mí nimo de 1000 x 1000 mm y espesor mí nimo 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 rí gidos 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. P á rrafo 74 Para el método por ví a h úmeda, determinar los valores de trabajabilidad previstos.
a) Resistencia a compresión en la dirección de la proyección después de 1, 7 y 28 dí as (4 probetas por ensayo). Las probetas deben tener un diámetro de 100 mm y longitud de 100 mm. b) Resistencia a compresión en la direcci ón perpendicular a la proyecci ón después de 1, 7 y 28 dí as (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 dí as según esta especificaci ón particular) ( P á rrafos 157 – 159 ). Las probetas deben obtenerse de diferentes paneles, y tener un diámetro de 150 mm y largo de 120 mm. P á rrafo 78 Un operario experimentado deber á preparar, de cada mezcla de prueba, suficientes vigas para realizar los ensayos de resistencia a flexi ón y tenacidad según EFNARC (1996), Sección 10.3.
P á rrafo 75 No mover los paneles durante 18 horas despu és 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 dí as deben obtenerse de los paneles de 1 d í a. Las probetas para los ensayos de resistencias a los 7 y 28 d í as deben almacenarse en agua seg ún la norma BS1881: Parte 111.
P á rrafo 79 Un operario experimentado deber á 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 aprobaci ón del ingeniero.
P á rrafo 76 Las probetas para las pruebas de permeabilidad deben tener 1 d í a y deben envolverse en un plástico que sea impermeable al agua y al vapor, para su almacenamiento hasta su ensayo a los 28 dí as.
P á rrafo 81 Los ensayos deben hacerse siguiendo los métodos siguientes:
P á rrafo 77 Las probetas de ensayo cilí ndricas deben ser obtenidas de cada panel de prueba y ensayadas tal como se describe a continuaci ón. 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 d í as). Es necesario tener al menos una probeta de repuesto para cada ensayo. Los requisitos de ensayo son los siguientes:
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P á rrafo 80 Cada cilindro o viga de prueba deber án estar marcados con una marca de referencia apropiada, además de la fecha y hora de proyección.
Ensayo Resistencia a compresi ón 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 (P á rrafos 157 –159 ) véase la tabla A.1 véase la tabla A.1 véanse los P á rrafos 160 –166
P á rrafo 82 Controlar los tiempos de fraguado durante las pruebas según BS EN 196: Parte 3:1995. P á rrafo 83 Determinar el contenido óptimo de fibra según la facilidad de uso en los procesos propuestos de dosificaci ón, 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). P á rrafo 84 La resistencia a compresión de probetas de shotcrete obtenidas de paneles de prueba debe ser aceptable, si la resistencia a compresi ón 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 compresi ón (cubos) in situ caracterí stica especificada en al menos: 2,0 MPa (resistencia a 1 d í a) 3,0 MPa (resistencia a 7 y 28 dí as) b) Cualquier resistencia individual no debe ser menor que la resistencia a compresi ón (cubos) in situ caracterí stica especificada en m ás de: 2,0 MPa (resistencia a 1 d í a) 3,0 MPa (resistencia a 7 y 28 dí as)
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 P á rrafos 77 a) y b). P á rrafo 85 El contratista debe llevar a cabo otras pruebas durante el perí odo de ensayos en obra según sea necesario o seg ún lo especifique el ingeniero, a fin de confirmar que las muestras y m étodos propuestos satisfagan los requisitos de desempeño mí nimos de esta especificación particular (véase la tabla A.1). P á rrafo 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.
Certificaci ó n de los operarios P á rrafo 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
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Producción y transporte Dosificaci ó n y mezclado P á rrafo 88 Los componentes individuales para la producci ón de shotcrete deben medirse por peso con un dispositivo de dosificaci ón automática, salvo los aditivos que pueden medirse por volumen. La exactitud de dosificaci ón debe estar entre ±3 % para todos los componentes. Pesar la microsí lice por separado. Los métodos de dosificación utilizados deben permitir un control fácil de su exactitud. Todos los equipos de medici ón deben mantenerse limpios y en buen funcionamiento, deben ajustarse a cero diariamente y calibrarse mensualmente. P á rrafo 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. P á rrafo 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. P á rrafo 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 proyecci ón. 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.
P á rrafo 93 El tiempo de mezclado para el proceso por ví a seca debe ser suficiente para producir un mezclado completo, y debe ser de 1 minuto como mí nimo. La mezcla debe transportarse mediante los equipos apropiados, evitando la segregación. P á rrafo 94 Los materiales mezclados para el proceso por ví a 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 perí odo puede extenderse mediante el uso de aditivos para el control de la hidratación, según se utilicen de acuerdo con esta especificaci ón particular.
Transporte P á rrafo 95 Para el shotcrete producido por el proceso por ví a seca, la mezcla seca puede transportarse en camiones mezcladores o contenedores sin agitación. La mezcla seca debe estar bien protegida contra la intemperie. P á rrafo 96 Para el shotcrete producido por el m étodo por ví a 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.
P á rrafo 92 El concreto base mezclado para el m étodo por ví a húmeda debe aplicarse antes de hora y media de haber sido fabricado. Sin embargo, este perí odo 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.
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P á rrafo 101 Dependiendo del espesor final requerido, la aplicaci ón de shotcrete reforzado con fibra metálica puede efectuarse en dos etapas a fin de reducir el rebote a un mí nimo, siendo la primera fase una capa de 50 mm.
Aplicación Apl ic ac i ó n del shotcrete P á rrafo 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. P á rrafo 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 aplicaci ón 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. P á rrafo 99 Tomar medidas para controlar las aguas subterr áneas 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 mí nimo de 28 dí as. Las entradas de agua que podrí an ocasionar el deterioro del shotcrete o impedir su adherencia, deben desviarse seg ún lo señalen los planos, o – de acuerdo con la propuesta del contratista – mediante canales, barbacanas u otras t écnicas apropiadas a través de la solera o del sistema de drenaje de las aguas subterr áneas. P á rrafo 100 La aplicación del shotcrete debe estar a cargo únicamente de un operario certificado bajo esta especificaci ón particular (véase el P á rrafo 87 ). La distancia entre la boquilla y la superficie de proyecci ón no debe ser mayor de 1,5 m con el método por ví a húmeda y 2,0 m con el proceso por ví a seca. Como regla general, deber á mantenerse la boquilla perpendicular a la superficie de aplicación salvo los casos en que se requiera garantizar una incrustación adecuada de la estructura met álica (p. ej., cerchas), o se especifique lo contrario bien sea por planos como por otros medios.
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P á rrafo 102 Cada capa de shotcrete debe aplicarse mediante varias pasadas de la boquilla sobre el área de trabajo, haciendo uso de buenas pr ácticas de trabajo y de una eficaz manipulaci ón 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. P á rrafo 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. P á rrafo 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. P á rrafo 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. P á rrafo 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. P á rrafo 107 Evitar acabados tales como alisado con llana o cepillo que puedan requerir acciones correctivas.
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P á rrafo 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 aprobaci ón del ingeniero. No se debe efectuar la proyecci ón cuando la temperatura ambiente es menor de +5°C.
Control del espesor y del perfil P á rrafo 109 Cuando así se especifique en los planos, controlar el espesor m í nimo 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 m í nima de un marcador por 2 m2 de área lanzada, y en general deber án localizarse en puntos de máximo saliente de la superficie excavada en la cavidad del t únel. Los marcadores de control del espesor deben retirarse del shotcrete inmediatamente después de la proyección, a fin de dejar agujeros peque ños abiertos a través del espesor del shotcrete, como un alivio de presi ón permanente. El contratista deberá someter a la aprobación del ingeniero una propuesta detallada referente al tipo, material y m étodo de uso de los marcadores de control del espesor. P á rrafo 110 Las cerchas u otras estructuras metálicas deben estar sumergidas en un mí nimo de 30 mm de shotcrete tipo S1. P á rrafo 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 mí nimo de shotcrete de 2/3 del espesor especificado. P á rrafo 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 inspecci ón 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 P á rrafo 114 Todo shotcrete debe ser curado adecuadamente mediante m étodos y materiales sujetos a la aprobaci ón del ingeniero, a fin de limitar la fisuraci ón debido a la contracción plástica, contracción térmica inicial y contracci ón 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 P á rrafos 20 – 25 de esta especificaci ón particular. P á rrafo 115 Si se propone el uso de agentes de curado proyectados en el sitio de aplicación de una capa adicional de shotcrete, deber án llevarse a cabo ensayos en obra para determinar la adherencia entre capas (sujeto a la aprobaci ón del ingeniero) utilizando mezclas y métodos aprobados, antes de utilizar tales agentes en la obra. P á rrafo 116 El curado debe efectuarse a menos de 20 minutos de la finalizaci ón de cada operación de proyección (en el caso de curado h úmedo, debe haber un perí odo mí nimo de 7 dí as). P á rrafo 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 est án logrando los requisitos de esta especificaci ón particular, en cuyo caso se deber á hacer el curado del shotcrete tal como se hace para los tipos S2 y S3.
P á rrafo 113 El control del perfil del revestimiento del t únel, tal como se muestra en los planos, debe someterse a la aprobación del ingeniero bien sea por m étodos manuales o electrónicos. Los equipos de l áser deben cumplir con 238
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Ensayos en la obra General P á rrafo 118 Realizar periódicamente ensayos en probetas o muestras obtenidas del shotcrete aplicado en la obra. Únicamente para ciertos ensayos especí ficos (tal como se indica en las cl áusulas siguientes), utilizar paneles o vigas para fines de pruebas. P á rrafo 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» ). P á rrafo 120 Ensayar las muestras siguiendo las cláusulas siguientes, y realizar los ensayos utilizando los m étodos siguientes: Ensayo Resistencia a compresión Resistencia a la flexi ón* Valor de resistencia residual* Resistencia de adherencia Durabilidad/permeabilidad Densidad seca Absorción en ebullici ón Volumen de vací os 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 P á rrafos 160 –166 V éanse los P á rrafos 157 –159 ASTM C642:97 ASTM C642:97 ASTM C642:97 EFNARC (1996), Apéndice 1, Sección 4.2 Véanse los P á rrafos 141 –143 Véase el P á rrafo 156 BS1881:Parte 102
* = Únicamente con shotcrete reforzado con fibra met álica
P á rrafo 121 La frecuencia de ensayo para control de mezclas debe efectuarse seg ún 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.
P á rrafo 123 El contratista puede proponer la ubicaci ón de las probetas a obtenerse de la obra, que deber á ser aprobada por el ingeniero. No se aceptar án los resultados de ensayos que no cumplan totalmente con esta cláusula. P á rrafo 124 En casos donde el espesor nominal requerido de shotcrete sea menor que 100 mm, las probetas para resistencia a compresi ón 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 c ompresi ó n P á rrafo 125 Los ensayos de resistencia a la compresi ón deben ser hechos en probetas de ensayo preparadas que tengan un di ámetro 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 m ás cercano a las 24 horas siguientes a la colocación. Las probetas requeridas para ensayos de resistencia a los 28 dí as deben obtenerse al mismo tiempo que los testigos requeridos para los ensayos a 1 dí a y a 7 dí as, y almacenarse en el laboratorio según BS1 881: Partes 111 y 120. P á rrafo 126 Frecuencia de obtenci ón de probetas: 3 probetas para cada una de las pruebas de resistencia (1 d í a y 7 dí as) para shotcrete tipo S1, y para la prueba de resistencia a los 28 dí as para todos los tipos de shotcrete, por cada 100 m3 de cada tipo de shotcrete utilizado en la obra. Seg ún el cumplimiento de los resultados de la prueba con esta especificaci ón particular, las circunstancias de la aplicaci ón e importancia de construcción, la frecuencia puede reducirse a cada 200 m3 o aumentarse a cada 50 m3 , sujeto a la aprobaci ón del ingeniero. Obtener las probetas a través de todo el espesor del shotcrete, y verificar que el shotcrete est é denso y homogéneo, sin segregaci ón de agregado o fibra u otros defectos visibles.
P á rrafo 122 Las dimensiones de las probetas de ensayo deben indicarse en esta especificación particular ( «Ensayos de aceptación y ensayos en obra » ).
P á rrafo 127 Las pruebas de resistencia para 1 dí a deben realizarse en 24 horas ±2 horas, y las de 7 d í as y 28 dí as deben realizarse conforme a la norma BS1881: Parte 120.
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P á rrafo 128 En vez de hacer pruebas en probetas tomadas del shotcrete en la obra, se pueden realizar métodos de ensayo indirectos (sujeto a la aprobaci ón del ingeniero) para determinar la resistencia a 1 d í a 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 dí a, a la aprobación del ingeniero. P á rrafo 129 Se aceptará la resistencia del shotcrete medida en probetas tomadas de la obra (o mediante métodos de ensayo indirectos, conforme al P á rrafo 128 ) si los resultados del ensayo de resistencia a compresión cumplen con los requisitos mí nimos 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 d í as 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 P á rrafo 125 en cuanto a diámetro del núcleo y razón altura:diámetro.
Pruebas de res istencia a flexi ó n y de grado de resistencia residual P á rrafo 130 Los ensayos para determinar la resistencia a flexión y el grado de resistencia residual deben realizarse en vigas cortadas de paneles proyectados en posici ón vertical. El método de ensayo debe ser el indicado en la Secci ón 10.3 de EFNARC (1996). Los paneles deber án ser proyectados durante la obra utilizando moldes de acero u otros materiales r í gidos 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 proyecci ón debe ser realizado por el mismo operario, quien debe además emplear la misma técnica de proyección y los mismos espesores de capa. P á rrafo 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 m étodo de ensayo (EFNARC [1996], Secci ón 10.3). La 242
parte superior de las vigas debe estar orientada como la cara a tensi ón en el equipo de ensayo, y la cara superior no debe aserrarse. P á rrafo 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 m 3 de cada tipo de shotcrete reforzado con fibra metálica colocado en la obra. P á rrafo 133 Se aceptará el shotcrete si los resultados del ensayo de resistencia a flexión y resistencia residual exceden los requisitos m í nimos 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/deformaci ón que caiga por debajo del próximo nivel de resistencia residual (salvo las vigas especificadas para la Clase 1).
Ensayo de adherencia P á rrafo 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. P á rrafo 135 Se aceptará el shotcrete si los resultados de un ensayo exceden los requisitos mí nimos de esta especificación particular, y 80 % de los valores individuales exceden el 50 % del requisito m í nimo especificado.
Ensayo de durabilidad/permeabilidad P á rrafo 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 dí as, obtenidas de la misma área general de la obra, según la aprobación del ingeniero) por cada 500 m 3 de shotcrete tipo S2 aplicado en la obra.
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P á rrafo 137 Se aceptará el shotcrete si el promedio de los resultados de un ensayo es menor que la máxima profundidad especificada de penetraci ón de agua, y ning ún resultado individual excede una profundidad de penetraci ón de 50 mm.
P á rrafo 143 Se aceptará el shotcrete si el promedio de los resultados de un ensayo excede los requisitos mí nimos especificados, y si ning ún resultado individual es menor que el mí nimo especificado en más del 20 %.
Ensayo de fibras Densidad seca, absorci ó n en ebullici ó n y volumen de vac í os P á rrafo 138 Determinar la densidad seca, la absorción en ebullici ón y el volumen de vací os de muestras de shotcrete tomado de la obra. El material de muestreo puede utilizarse para otros propósitos sujeto a la aprobaci ón del ingeniero. P á rrafo 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 d í as 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. P á rrafo 140 Se aceptará el shotcrete si el promedio de los resultados para cada ensayo satisfacen los requisitos especificados.
P á rrafo 144 Realizar por lo menos un ensayo de tensi ón, con 10 fibras acabadas seleccionadas al azar, por cada 4,5 toneladas de material suministrado o cada enví o en caso de que pese menos de 4,5 toneladas. La resistencia promedio a la tensi ón de estas pruebas no debe ser menor que el mí nimo especificado. La resistencia a la tensi ón de cualquiera de las diez muestras debe ser superior a 800 MPa. P á rrafo 145 Los ensayos de doblado de fibras deben hacerse en conformidad con ASTM A820:96. P á rrafo 146 Los requisitos de rebote y repetición de ensayos deben estar en conformidad con ASTM A820:96.
Ensayo de trabajabilidad Contenido de fibra P á rrafo 141 Realizar una evaluaci ón 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 met álicas deben reunirse, secarse y pesarse. El peso debe compararse con el volumen de la muestra, el cual debe determinarse sujeto a la aprobaci ón del ingeniero (EFNARC [1996], Secci ón 10.9). P á rrafo 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.
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P á rrafo 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 P á rrafo 148 En caso de que los resultados de cualquier ensayo en la obra no cumplan con los criterios de aceptación establecidos en las cl áusulas de esta especificaci ón 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 m étodos para evitar fallas adicionales. 245
P á rrafo 149 En caso de que el ingeniero considere que el problema de falta de conformidad podrí a 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, seg ún la naturaleza de la falta de incumplimiento con los requisitos.
Métodos de ensayo General P á rrafo 150 Las pruebas requeridas por esta especificaci ón particular deben realizarse utilizando métodos que deben estar en conformidad con las normas especificadas, a menos que se especifique lo contrario en las cl áusulas siguientes.
Exudaci ó n del cemento P á rrafo 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 per í odo 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 porcenta je en volumen de agua expulsada.
Ensayo de ac elerantes Tiempo de fraguado de ace lerantes basados en aluminato P á rrafo 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) A ñadir 6 g del acelerante de aluminato correspondiente.
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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 correr á 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 autom ático). 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.
Interpretaci ó n de los resultados: Inicio del fraguado <30 s <60 s Final del fraguado <3 min <4 min Clasificaci ón Bueno Aceptable
>60 s >4 min No aceptable
Criterio principal para los acelerantes de aluminato: C3 A 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 á lcalis en forma l í q uida P á rrafo 153 Los acelerantes lí quidos libres de álcalis no funcionan con todo tipo de cemento: con ciertos cementos se obtienen caracter í sticas de fraguado excesivamente lentas. Esta limitación se aplica principalmente a la aplicación por ví a húmeda; en la aplicación por ví a seca, el efecto negativo de las caracterí sticas de fraguado puede compensarse disminuyendo la relaci ón agua/cementante. Por tal razón, es necesario inspeccionar la reactividad y el tiempo de fraguado de los cementos utilizados en el proyecto.
En una pas ta de cemento: (Equipo: recipiente de mezcla con esp átula 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) A ñadir 3 – 10 g de acelerante y mezclar durante un m áx. de 5 segundos 6) Inmediatamente después de mezclar, llenar un molde de prueba, colocarla bajo la aguja Vicat manual y comenzar a medir la penetraci ón 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)
Interpretaci ó n de resultados: Inicio del fraguado <2 min <4 min Final del fraguado <5 min <8 min Clasificaci ón Bueno Aceptable
>4 min >8 min No aceptable
En un mortero (seg ú n 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) A ñadir 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) A ñadir 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 vibraci ón para evitar una compactación deficiente 10) Colocarlo bajo la aguja Vicat manual y comenzar a medir la penetraci ón 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 Interpretaci ó n 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 Clasificaci ón Bueno
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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 mayorí a 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 desarroll ó un equipo de pruebas Viper para hacer pruebas de fraguado de morteros de proyección.
Disminuci ó n de resistencia P á rrafo 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 dí as y a los 28 dí as, siguiendo los métodos especificados en las cl áusulas 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.
Ensa yo con mortero (sin acelerante, mezcla de mortero b á s ic a) P á rrafo 155 Determinar la resistencia a compresión de cubos de mortero sin acelerante según BS4550: Parte 3: Sección 3.4:1978, í tem 2, salvo que debe utilizarse la siguiente relaci ón 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 milí metros cuadrados, y deberá ser: a) para fibras de alambre estirado en frí o: 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/m 3.
Ensayo de durabilidad/permeabilidad P á rrafo 157 El ensayo de durabilidad/permeabilidad se har á como un ensayo de penetración de agua según la norma DIN 1048: Parte 5 y las cláusulas siguientes. P á rrafo 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 P á rrafos 76 y 77 , y desde los ensayos en la obra siguiendo los P á rrafos 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. P á rrafo 159 Para cada probeta, anotar la siguiente información: – Fecha de obtención de la probeta – Número de probeta – Direcci ón de la proyección
Ensayo de resistencia de adherencia Ensayo de fibras P á rrafo 156 Los ensayos en fibras metálicas deben realizarse seg ún la norma ASTM A820:96 excepto que el área transversal utilizada para calcular la resisten250
P á rrafo 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.
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P á rrafo 161 Los equipos para llevar a cabo las pruebas y m étodos de ensayo detallados deben cumplir con la descripci ón dada por EFNARC (1996), Sección 10.6 u otras alternativas, sujeto a la aprobación del ingeniero. P á rrafo 162 Realizar las pruebas en probetas mayores que 60 mm y con di ámetro menor que, o igual a 100 mm. La perforación para ensayos in situ debe penetrar la roca al menos 15 mm. P á rrafo 163 Las probetas obtenidas para ensayos de laboratorio deben curarse y protegerse hasta el momento del ensayo. P á rrafo 164 La velocidad de carga debe ser superior a 1 MPa por minuto y no inferior a 3 MPa por minuto.
P á rrafo 167
Referencias y normas particulares A continuación se expone una lista de las normas mencionadas en esta especificaci ón particular para el shotcrete. Sujeto a la aprobaci ón del ingeniero, el contratista podr í a 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.
P á rrafo 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) P á rrafo 166 Las pruebas pueden concluir si la resistencia de adherencia calculada excede 1,5 MPa.
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B S 1 2: 19 96
S pe ci fi ca ti on fo r P or tl an d C em en t
Parte 111:1983
Method of normal curing of test specimens (+20°C method) [Replaced by BS EN 12390–1:2000]
BS 812
Testing Aggregates
Parte 112:1983
Parte 2:1995
Methods for determination of physical properties
Parte 114:1983
Parte 3:1990
Methods for determination of mechanical properties
Parte 100:1990
General requirements for apparatus and calibration [Replaced by BS EN
Methods of accelerated curing of test cubes Methods for determination of density of hardened concrete [Replaced by BS EN 12390–7:2000]
Parte 115:1986
Specification for compression testing machines for concrete [Replaced by BS EN 12390–4:2000]
932–5:2000] Parte 101:1984
Guide to sampling and testing aggregates
Parte 116:1983
Method for determination of compressive strength of concrete cubes
Parte 102:1989
Methods for sampling [Replaced by BS EN 932-1:1997]
Parte 120:1983
Method for determination of compressive strength of concrete cores
P ar te 10 3
M et ho d f or d et er mi na ti on o f p ar ti cl e s iz e d is tr ib ut io n
Parte 124:1988
Methods for analysis of hardened concrete
Sección 103.1:1985 Sieve tests
Parte 125:1986
Methods for mixing and sampling fresh concrete in the laboratory
Sección 103.2:1989 Sedimentation test
Parte 127:1990
P ar te 1 05
Sección 105.1:1985 Flakiness index
Parte 131:1998
Sección 105.2:1990 Elongation index of coarse aggregate
Parte 201:1986
Parte 106:1985 Parte 109:1990 Parte 110:1990 Parte 111:1990 Parte 112:1990
Methods for the determination of moisture content [Partially replaced by
Parte 202:1986
BS EN 1097-5:1999]
Parte 203:1986
Guide to the use of non-destructive methods of test for hardened Recommendations for surface hardness testing by rebound hammer Recommendations for measurement of velocity of ultrasonic pulses in concrete
Methods for the determination of aggregate crushing value [Partially replaced by BS EN 1097-2:1998]
Parte 204:1988
Recommendations on the use of electromagnetic cover meters
Determination of ten per cent fines value [Partially replaced by BS EN
Parte 205:1986
Recommendations for radiography of concrete
1097-2:1998]
Parte 206:1986
Recommendations for the determination of strain in concrete
Method for the determination of aggregate impact value [Partially
Parte 207:1992
Recommendations for the assessment of concrete strength by near-tosurface tests
Method for the determination of aggregate abrasion value [Replaced by BS EN 1097-8:2000]
Parte 114:1989
Methods for testing cement in a reference concrete concrete
Method for the determination of shell content
replaced by BS EN 1097-2:1998] Parte 113:1990
Method of verifying the performance of concrete cube compression machine using the comparative cube test
M et ho ds f or th e d et er mi na ti on of p ar ti cl e s ha pe
BS 4027:1996
Specification for Sulphate-Resisting Portland Cement
Method for determination of polished stone value [Replaced by BS EN 1097-8:2000]
BS 4550
Methods for Testing Cement
Parte 117:1988
Method for determination of water-soluble chloride salts
Parte 3
Physical tests
Parte 118:1988
Method for the determination of sulphate content
Sección 3.4:1978
Parte 119:1985
Method for the determination of acid-soluble material in fine aggregate
Parte 120:1989
Strength tests [Replaced by BS EN 196–1:1995 and partially by BS 1881– 131:1998]
Method for the testing and classifying drying shrinkage of aggregates for
Sección 3.8
Test for heat of hydration
concrete
P ar te 6 :1 97 8
S ta nd ar d s an d f or mo rt ar c ub es
BS 5075-1:1982
Specification for Accelerating Admixtures, Retarding Admixtures
Parte 121:1989
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
Testing Concrete
Parte 101:1983
Method of sampling fresh concrete on site [Replaced by BS EN
and Water Reducing Admixtures [Partially replaced by BS EN 480 and BS EN 934] BS 5328 Parte 3:1990
12350–1:2000] Parte 102:1983 Parte 108:1983
Method for determination of slump [Replaced by BS EN 12350–2:2000]
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
Method for making test cubes from concrete [Replaced by BS EN 12390–1:2000]
BS 6588:1996
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Specification for Portland Pulverised Fuel Ash Cement
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