SHOTCRETE REFORZADO CON FIBRAS 1. Titulo: Shotcrete reforzado con fibras: Evaluación de la Tenacidad a la Flexión del Shotcrete reforzado con fibras sintéticas mediante la Prueba del Panel Redondo (ASTM C1550-02). 2. Autores: Campos Martínez, Fernando. Aldave Villaorduña, Villaorduña, Alan Víctor. Víctor. 3. Asesor: Dr. Ing. Carlos Zavala Toledo. 4. Universidad: Universidad Nacional de Ingeniería – Facultad de Ingeniería Civil.
Introducción: Hoy en día se viene utilizando con mucho éxito el Shotcrete o concreto lanzado en el mundo, cuyo campo de aplicación es v ariado como son: revestimiento y reparación de túneles, estabilización de taludes, paredes de retención, etc. Hemos evaluado el Shotcrete reforzado con fibras sintéticas sintét icas mediante mediant e un ensayo de carga, la cual nos brindara información para determinar la tenacidad a la flexión y la energía a disiparse, algo de suma importancia para el comportamiento post-falla, que puede adoptarse como control de calidad en cualquier obra de construcción que necesite Shotcrete reforzado con fibras ya sean de acero o sintéticas. 5. Objetivos Concisos: o
Determinación de de la tenacidad a la flexión del del Shotcrete reforzado reforzado con fibras sintéticas sintéticas usando panel redondo cargado centralmente (ASTM C1500-02)
o
Debido a que no existen investigaciones en nuestro medio y es escasa la bibliograf bibliografía, ía, el presente presente trabajo representa la primera experiencia en nuestro país al respecto y esperamos continuar la investigación en esta área para que pueda ser utilizado como control de calidad en este tipo de reforzamiento para obras de ingeniería civil.
o
Difundir la importancia importancia del Shotcrete Shotcrete en el reforzamiento reforzamiento de minas subterráneas subterráneas y de túneles, ya que muchos proyectos se truncan o desechan debido a la necesidad de perforación y reforzamiento de estos.
6. Hipótesis Hipótesi s del Problema: o
El Shotcrete reforzado con fibras fi bras es usado para controlar control ar las deformaciones deformaci ones del terreno y se ha convertido en uno de los métodos mas usados para el reforzamiento de estructuras en la industria de la construcción subterránea, donde la medición efectiva del comportamiento de la tenacidad es un problema debido a que la influencia de parámetros como tipo de fibra, diseño de mezcla, y técnica de lanzado son difíciles de determinar.
o
El ensayo del panel redondo mediante mediant e una carga aplicada centralmente brindara información consistente para que nos sirva como control de calidad en obras donde el Shotcrete reforzado con fibras sintéticas o de acero, según sea el caso, sean necesarias.
7. Desarrollo del Estudio: Estudio: 8.1.
Del Shotcrete
El Shotcrete es un mortero o concreto transportado a través de una manguera y proyectado reumáticamente a alta velocidad sobre una superficie. Pudiendo ser dicha superficie: concreto, piedra, terreno natural, mampostería, acero, madera, poliestireno, etc.
-1-
El Shotcrete es un material cohesivo y es mas reciente que el concreto convencional pero de proporciones de mezcla similares, se caracteriza por el alcance temprano
de cierta resistencia
debido al grado de compactación que recibe como consecuencia a las velocidades de impacto que son del orden de 70 a 80 m/seg. Su alta resistencia inicial puede ser atribuida también a la baja relación agua/cemento y la utilización de aceleradores de fraguado que han sido desarrollados para conseguir altos valores de resistencia inicial además se puede conseguir la resistencia mínima del Shotcrete a la compresión al cabo de dos horas, en base a unas mezclas de concreto prevista para obtener una resistencia de compresión de 45 Mpa en 28 días pero para ello se requieren unos 20 Mpa a las 24 horas. 8.2.
Del Shotcrete reforzado con Fibras:
El Shotcrete reforzado con fibras ya sean estas sintéticas o de acero crean un refuerzo homogéneo. Se pueden aplicar muy rápido, asegurando un refuerzo inmediato a la roca excavada. El refuerzo homogéneo con fibras permite resistir esfuerzos de flexo tracción en cualquier punto de la capa de Shotcrete. Unos espesores uniformes permiten una reducción importante de los consumos de Shotcrete, una capa de Shotcrete reforzado con fibras tiene una muy buena adherencia a la roca, la cual es necesaria que se soporte así misma.
Restos de material después de un lanzado de Shotcrete reforzado con fibras. 8.3.
Fibras de acero para Shotcrete, se pueden apreciar los dobleces que garantizan la eficiencia del refuerzo.
De los Materiales usados para la elaboración del Shotcrete reforzado con Fibras.-
Los materiales usados en el Shotcrete son básicamente los mismos que los utilizados en un concreto convencional: cemento, agregados inertes finos, agua, aditivos, y a partir de los 80´s se empezaron a usar fibras. 8.3.1.
Del Cemento y el Agua.-
El cemento utilizado fue el cemento convencional Pórtland Tipo I y el agua empleada en el diseño de mezcla fue agua potable. 8.3.2.
De los Agregados.-
Los agregados para el Shotcrete deben cumplir siempre con la norma ASTM C33. En el caso del agregado global debe cumplir con alguno de los husos granulométricos que aparecen en la tabla siguiente:
-2-
Cuadro de Gradación de los Agregados para Shotcrete Porcentaje que pasa por peso Tamiz
Gradación No 1
Gradación No 2
Gradación No 3
¾ “ ( 19 mm)
-
-
100
½ “ ( 12 mm)
-
100
80 – 95
3/8 “ ( 10 mm)
100
90 – 100
70 – 90
No 4 ( 4.75 mm)
95 – 100
70 – 85
50 – 70
No 8 ( 2.40mm)
80 – 100
50 – 70
35 – 55
No 16 ( 1.20 mm)
50 – 85
35 – 55
20 – 40
No 30 ( 600 mm)
25 - 60
20 - 35
10 - 30
La gradación que utilizamos fue la Gradación No 1.
8.3.3.
De los Aditivos.-
Los aditivos utilizados fueron: POLYHEED RI.- Es un aditivo retardante, reductor de agua de medio rango, multi-componente y libre de cloruros formulado para producir en el caso del Shotcrete incremento en el desarrollo de las resistencias a la compresión y a la flexión en todas las edades, además que resulta efectivo ya sea como un aditivo único o como parte de un sistema de aditivos MBT. RHEOBUILD 1000.- Es un aditivo reductor de agua de alto-rango diseñado para producir concreto rheoplastico y recomendado para desarrollo rápido de resistencias y uso fundamental en aplicaciones civiles y de minería ya sea en Shotcrete por vía húmeda o seca. MEYCO SA160.- Es un aditivo acelerante de elevado rendimiento, exento de álcalis para su utilización en el proceso de proyección por vía húmeda, adecuado para todas aquellas aplicaciones donde se requieran resistencias iniciales o finales elevadas, es idóneo para concreto proyectado por vía húmeda en el sostenimiento de rocas. 8.3.4.
De las Fibras.-
Las fibras utilizadas fueron MASTERFIBER 50 PS que son fibras de polipropileno para refuerzo de concreto y Shotcrete, recomendado para refuerzo de Shotcrete por vía húmeda, son desarrolladas para reforzar y extender la durabilidad del Shotcrete para soporte de roca, otorgando tenacidad y ductilidad a este, cumple con las especificaciones
ASTM
C1116
para
concreto
y
Shotcrete reforzado con fibra sintética. La dosificación de esta fibra va a depender de la falla de energía del Shotcrete. Las fibras pueden ser agregadas directamente al sistema de m ezcla del concreto, durante o después del mezclado de los otros ingredientes. La velocidad y duración del mezclado será la recomendada por el fabricante, generalmente de 5 minutos.
-3-
El mezclado adicional si ocurriese no afecta adversamente la distribución homogénea ni el desempeño global de la fibra. 8.4.
Del tipo de Lanzado seleccionado.-
Hemos optado por el Lanzado Húmedo es decir que el agua la hemos mezclado con los demás materiales antes de entrar por la manguera.
Se hace un lanzado previo sobre una superficie antes de lanzar sobre los moldes.
Proceso de colocación de las fibras en el Shotcrete antes del lanzado.
8.5.
Del Personal en el Shotcreteado.-
El personal que realiza este tipo de trabajo tendrá que estar capacitado y adiestrado e integrado debidamente. Se puede conformar de: un capataz, el operador que llevara a cabo el movimiento de la pluma así como el colocado del concreto con el control remoto y, un ayudante que vera la alimentación con concreto al Spray móvil. 8.6.
Del Equipo utilizado.-
Los equipos para la aplicación del Shotcrete constan de una pistola o bomba, un compresor, un mezclador, boquillas y diversas mangueras. El equipo Spray móvil Meyco-Suprema-MBT, es un equipo sofisticado que emplean plumas de boquillas accionadas a control remoto, el operador se ubica de manera segura en el extremo opuesto, fuera del alcance de las rocas que caen, la pluma tiene completa libertad de movimiento en todas las direcciones permitiendo incluso el movimiento rápido de la boquilla.
Equipo de Lanzado móvil Meyco Suprema MBT utilizado en nuestro ensayo.
Lanzado del Shotcrete reforzado con fibras sintéticas en los moldes de los paneles redondos.
-4-
8.7.
De la Prueba del Panel Redondo.-
El ensayo del panel redondo es un experimento Standard que sigue las normas americanas ASTM C1550-02. Este ensayo consiste en cargar un espécimen circular de 800 mm de diámetro y 75 mm de espesor con una variación de
± 1.5
mm el cual es apoyado sobre 3 apoyos de cuna ubicados
simétricamente. El espécimen es cargado en forma concéntrica para generar una flexión que desarrollara grietas radiales entre apoyos. La velocidad de la carga deberá ser controlada de manera tal de mantener un valor de 4 mm. /minuto en el rango elástico del espécimen. La medición del desplazamiento se efectuara por un sistema de medición dinámico de manera que pueda determinarse a partir de la curva desplazamiento vs. carga, la cantidad de energía disipada por el espécimen hasta alcanzar una deformación del orden de 40 mm donde finaliza el ensayo. Deberá medirse el desplazamiento de los apoyos para realizar una corrección en el desplazamiento central y evaluar la energía desarrollada con los valores corregidos. El cuidado de la fabricación de los especimenes, moldes, perpendicularidad, ángulo de lanzado y su uniformidad son variables sensibles al resultado de la prueba. 8.7.1.
De sus Ventajas.-
La prueba del panel redondo ofrece varias ventajas importantes sobre formas de alternativa de la valoración del comportamiento de la tenacidad a la flexión. Lo más importante de eso es la baja variabilidad en los resultados y el uso de formas fáciles para prepararlo. Ensayos extensivos de FRS (Fiber Reinforced Shotcrete) basados en paneles redondos para proyectos de túneles y minería en Australia han demostrado una reducción en los costos en cerca del 40% comparado con el uso de vigas. Los ensayos pueden ser hechos tan pronto como a 2 horas después del lanzado, dependiendo del tipo y desagüe del acelerante usado. Esto hace a la prueba del panel redondo una herramienta útil para el estudio del comportamiento de las FRS en las primeras horas después del lanzado, puede ayudar a entender como el material interactúa con la roca y permitir la estabilización. Si el espécimen es cuidadosamente desmoldado después del endurecimiento, y el espesor se mantiene uniforme, la carga de agrietamiento puede además ser usada para calcular el Modulo de Rotura de la matriz de concreto basada en el análisis del comportamiento estructural de la línea marcada. Es principalmente la parte agrietada del espécimen de FRS la que es evaluada durante un ensayo de tenacidad. Por consiguiente es importante obtener una sección agrietada larga si el ensayo es para producir resultados que son representativos de los materiales así como del lanzado. La larga área de la superficie agrietada generada es además, en parte, responsable para la baja variabilidad en el comportamiento logrado de la tenacidad a la flexión usando este ensayo. Tres grietas radiales son formadas en casi todos los especimenes cargados para una longitud total de grietas de 1200 mm comparado con entre 100 y 150 mm para la mayoría de los ensayos estándar en vigas. 8.7.2.
De su Aplicación en las minas Subterráneas.-
En las minas subterráneas hay dos tipos básicos de dificultades de apoyo de terreno encontrados. El primero es cuando los esfuerzos de la roca son pobres y el terreno no va a soportarlo por si mismo. Para ello el Shotcrete reforzado con fibras es usado para controlar las deformaciones del terreno. El otro tipo de dificultad es encontrado cuando el esfuerzo de la roca es alto, pero in-situ el esfuerzo de la roca aumenta a niveles que excede el esfuerzo de la roca. Esto puede llevar a eventos sísmicos o estallido de la roca. Esto es una condición aprensiva para minas con las caras de las rocas
-5-
aparentemente seguras que pueden explotar violentamente sin advertencia. El Shotcrete reforzado con fibras es ahora visto como la mejor forma de controlar ambas de estas dificultades, usando Shotcrete reforzado con fibras en terrenos sujetos a actividades sísmicas.
Como un estallido de roca puede ocurrir inmediatamente después de la explosión. El esfuerzo temprano de las capas del Shotcrete es
una
preocupación.
El
trabajo
está
haciéndose ahora para investigar cómo la dureza crece en las primeras horas después de rociar el Shotcrete. La ingeniería minera ahora reconoce que incluyendo El FRS ayuda a controlar las deformaciones del terreno que de otro modo no podría ser minable. 8.8.
fibra
como
reforzamiento
en
Shotcrete puede reforzar la capacidad de absorción de energía del sistema en 10 veces para un aumento del costo en menos del 10%.
Resultados.-
Los ensayos fueron realizados en el Laboratorio de Estructuras del CISMID/FIC/UNI durante el mes de Diciembre del 2003 y Enero del 2004. Hemos dividido nuestros ensayos en 2 partes: La primera que corresponden a las muestras M-1, M-2, y M-3, usando fibra MBT con una densidad de fibra de 5 Kg. /m3. La segunda que corresponden a las muestras M2-1, M2-2, M2-3, y M2-4, usando también fibra MBT pero en este caso variando la densidad de fibra a 8 Kg. /m3.
Cuadro de Espesores de las muestras de Panel Redondo Muestras
M1-1
M1-2
M1-3
M2-1
M2-2
M2-3
M2-4
83.700
93.500
81.750
81.250
96.150
94.200
83.150
83.900
95.450
89.000
88.850
91.200
85.350
87.500
81.750
85.300
81.900
86.250
88.000
92.500
82.250
89.400
90.500
84.850
82.650
85.350
85.900
86.850
84.000
89.950
88.000
85.500
87.000
84.750
86.000
Promedio
84.550
90.940
85.100
84.900
89.540
88.540
85.150
Desviación
2.864
3.869
3.360
3.007
4.267
4.450
2.321
Espesores de las Muestras en mm.
-6-
Cuadro de Diámetros de las muestras de Panel Redondo Muestras
M1-1
M1-2
M1-3
M2-1
M2-2
M2-3
M2-4
800.000
802.000
801.000
799.000
801.000
795.000
796.000
804.000
805.000
802.000
801.000
790.000
797.000
797.000
799.000
808.000
799.000
796.000
805.000
809.000
799.000
800.000
802.000
795.000
794.000
802.000
794.000
802.000
792.000
798.000
799.000
802.000
798.000
808.000
804.000
Promedio
799.000
803.000
799.200
798.400
799.200
800.600
799.600
Desviación
4.359
3.742
2.683
3.362
5.718
7.301
3.362
Diámetros de las Muestras en mm.
Cuadro de Grietas de las muestras de Panel Redondo Muestras
Grietas en mm.
M1-1
M1-2
M1-3
M2-1
M2-2
M2-3
M2-4
11.0
22.0
16.0
15.0
11.0
12.0
13.0
16.0
26.0
13.0
10.0
23.0
15.0
18.0
9.0
26.0
18.0
20.0
20.0
14.0
12.0
Energía máxima absorbida fue dado con una densidad de fibra de 8 Kg. /m3 (M2-2) CISMID/FIC/UNI - Solicitante: UNICON 18/12/2003 Ensayo de Tenacidad a la Flexion de Concreto Reforzado con Fibra e Panel Redondo - ASTM-C1550-02 Muestra M2-2
35 30 25
) N K (
a20 g r a C15
10 5 0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Deformacion (mm
La energía mínima absorbida fue dado con una densidad de fibra de 5 Kg. /m3 (M1-3)
35
CISM ID/FIC/UNI - Solicitan te: UNICON 18 /12/2003 Ensayo de Tenacidad a la Flexion de Concreto Reforzado con Fibra en Panel Redondo - ASTM-C1550-02 M u e s t r a M 1 - 3
30 25 ) N k 20 ( a g r 15 a C
10 5 0 0
5
10
15
20
25
Deformacion (mm)
-7-
30
35
40
45
Cuadro de Resultados de las Muestras de Panel Redondo evaluadas a la Tenacidad a la Flexión. Muestra Densidad de Fibra (Kg. /m3)
M1-1
M1-2
M1-3
M2-1
M2-2
M2-3
M2-4
5
5
5
8
8
8
8
394.377 351.182 282.912
461.540
543.088
533.681
300.991
25.235
27.195
19.355
25.235
30.870
24.010
25.235
0.671
0.695
1.024
0.671
0.693
0.712
0.729
Energía Absorbida (Joules) Carga Máxima de Agrietamiento (KN) Desplazamiento en Máxima Carga (mm)
8. Posible Solución al Problema.El camino esta trazado, el control de calidad que brinda el panel redondo para el Shotcrete reforzado con fibras y la consecuente evaluación de la tenacidad a la flexión de este material nos dan alternativas suficientes para poder evaluar el FRS en proyectos de construcción de túneles, minas y minas subterráneas, nuestros experimentos con fibras sintéticas dieron resultados aceptables, la densidad de fibra usada de 5 y 8 Kg. /m3 fue bien dosificada así como los aditivos seleccionados, ahora es tiempo de continuar con la investigación, por nuestra parte estamos ya evaluando las fibras de acero, tenemos ya algunos resultados y podremos comparar los beneficios de estas en comparación con las sintéticas, por lo planteado y por la teoría existente podemos decir que las fibras sintéticas trabajan mejor que las de acero pero el hecho de una evaluación de estas no estará nunca de mas. 9. Conclusiones y Recomendaciones.- El Shotcrete reforzado con fibras ofrece muchas ventajas en comparación al Shotcrete convencional, por ejemplo: lo hace más dúctil, controla las fisuras, tiene una aplicación mucho más rápida y fácil, es más durable, eficaz y rentable. - Aplicado el Shotcrete sobre una superficie rocosa es obligado a introducirse en las fisuras y en las juntas abiertas, de este modo se hace cargo de la misma función de unión que tiene el mortero en un muro de piedra. Aun cuando se aplique en forma de capa fina, cuenta con una considerable capacidad para impedir el desprendimiento de rocas. - La trabajabilidad de toda la mezcla se vera afectada por la adición de las fibras, es decir que no es recomendable adicionar mas agua, sino que diseñar la mezcla de tal forma que permita la adición de fibras. - Estudios en Australia han establecido la superior confiabilidad de la prueba del panel redondo en comparación a los ensayos en vigas.
-8-
- La minería seria el sector mas beneficiado al aplicarse este ensayo ya que incluyendo fibra como reforzamiento en el Shotcrete se puede reforzar la capacidad de absorción de energía en 10 veces para un incremento del costo en solo 10%. - Para que haya una menor variabilidad en los resultados de la prueba se recomienda que el Shotcrete sea lanzado sobre los paneles de manera cuidadosa para no tener problemas con la desviación del espesor en las muestras. - Hay que analizar las grietas que se producen en el ensayo ya que de ellas dependen si existirá una baja o alta variabilidad en el comportamiento logrado de la tenacidad a la flexión. - Se puede apreciar que variando la densidad de fibra de 5 Kg. /m3 a 8 Kg. /m3 existe un incremento en la energía absorbida por el espécimen por consiguiente la carga máxima de agrietamiento debería ser mayor en la mayoría de los casos, vemos que no es así en su totalidad, solo la muestra M2-2 cumple con esta hipótesis, esto puede ser muy favorable ya que la variación de la densidad de 5 Kg. /m3 a 8kg/m3 es un costo de fibra adicional importante y producen similares respuestas de carga máxima y de desplazamientos en dicha carga. - La energía máxima absorbida fue dado con una densidad de fibra de 8 Kg. /m3 en el espécimen M22 con 543.088 Joules para una carga máxima de agrietamiento de 30.870 KN y un desplazamiento en dicha carga de 0.693 mm. - La energía mínima absorbida fue dado con una densidad de fibra de 5 Kg. /m3 en el espécimen M1-3 con 282.912 Joules para una carga máxima de agrietamiento de 19.355 KN y un desplazamiento en dicha carga de 1.024 mm.
10. Referencias Bibliográficas.- Stefan Bernard; Release of New ASTM Round Panel Test. - Stefan Bernard; Round Determinate Panel Testing in Australia. - Matthew Clements; Shotcreting in Australian Underground Mines. - Specification for Determinate Panel Test for inclusion in RTA Spec.82 Shotcrete. - Adriana Reyes; Concreto Lanzado. - Alex Cano y Freddy Castañeda; Shotcrete Reforzado con fibras de Acero Caso Práctico: Central Hidroeléctrica de Yuncan. - Jorge Gutiérrez; Shotcrete para Sostenimiento Subterráneo. - Folletos MBT referente a la fibra y los aditivos utilizados. - Dr. Carlos Zavala; Ensayo de Tenacidad a la Flexión en Paneles Redondos de concreto con fibra ASTM C1550-02. Reporte CISMID/FIC/UNI, Enero 2004.
-9-
