4 Inyección de lechada de cemento.pdf

inyección de lechada de cemento Dos de las técnicas más especializadas que se han desarrollado en el campo del cemento   del concreto son   de la inyección de lechada de cemento (“grouting”) y de la cementación de espacios confinados. Para muchas personas resultará sorprendente saber cuánto cemento se utiliza de esta manera. En los Estados Unidos, por ejemplo, el consumo de cemento para la inyección de lechada en pozos de petróleo gas gas natural constituye uno de los mercados más importantes de cemento de ese país; pero, por supuesto, también utilizan la inyección de lechada de cemento en muchos otros proyectos de estabilización. Entre los pioneros en este último campo se encuentran la lntrusion Prepak Corporation, responsable de la estabilización de algunas de las presas más grandes de América,  el profesor Raymond E. un Ex-presidente del Concrete Institute, quien condujo investigaciones exhaustivas sobre la inyección de lechada de cemento en el Laboratorio de Materiales de la Universidad de California. Considerando la extensión del uso de la inyección de lechada en todo el mundo, es notable la escasez de información que se encuentra disponible sobre el particular. Probablemente esto se debe al hecho de que las técnicas   la ciencia de la inyección de lechada de cemento han surgido en un campo donde tantas personas con conocimientos prácticos se han tenido que enfrentar con gran cantidad de dificultades inesperadas, teniendo que trabajar con mucha frecuencia en situaciones de emergencia. Pero con el advenimiento del presforzado   la necesidad de inyectar  el arte de la inyección de lechada de cemento ha recibido mucho más atención especializada   se ha creado una nueva literatura sobre la inyección de   de presfuerzo   anclajes en rocas. Todo lo anterior ha sido de gran ayuda para el desarrollo posterior del equipo así como de los procedimientos de inyección de lechada de cemento en relación con las proporciones de las mezclas, los agregados, las presiones de inyección, etc. En este número de la revista publicamos un artículo que trata en forma completa los principios básicos de la inyección de lechada de cemento   de la cementación. También presentamos otro artículo que describe muchas de las aplicaciones prácticas de la inyección de lechada de cemento.

l

Publicados originalmente en N.Z. Concreta Conatructbn, Vol. Nueva Zelanda.

No. 2, abril de

Wellington.

En el año de 1802, el ingeniero francés Charles Berigny reparó una esclusa inyectando debajo de ella arcilla   cal. Hace aproximadamente un siglo se reportó una inyección de lechada de cemento en rocas, para sellar fisuras en donde se había acumulado el agua. Pero el uso más significativo de la inyección de lechada comenzó en la industria minera, gracias al trabajo de Albert   justo antes de la Primera Guerra Mundial. En los años veinte aparecieron las cortinas de inyección de lechada bajo las presas. En la década de 1930 se introdujeron las inyecciones químicas simples   en los últimos 25 años se ha observado un desarrollo considerable en los métodos de investigación, en los materiales para la inyección de lechada en las técnicas   equipos utilizados. En la ingeniería civil   de minas, la inyección de lechada moderna es una herramienta poderosa que posee un récord impresionante de utilización.

Técnicas básicas La formulación de un plan de inyección de lechada efectivo requiere de información confiable sobre la naturaleza de los huecos que han de ser  llenados. Son aspectos importantes el tamaño, el grado de continuidad, la naturaleza de cualquier  material presente   tal vez las características de algún recubrimiento superficial. En la mayoría de los casos tal información es difícil de obtener.

RESUMEN La inyección de lechada es la acción de inyectar un fluido, que más tarde se solidifica, dentro de una masa de material sólido conteniendo huecos o fisuras. Es un arte útil, con muchas aplicaciones en la construcción, algunas de las cuales se describen más adelante. Normalmente, la inyección de lechada de cemento se efectúa para aumentar la resistencia o reducir la permeabilidad. En ocasiones, su objetivo puede alcanzarse tratando únicamente los huecos más grandes. Otras veces la lechada de cemento final puede requerir  poca resistencia. Sin embargo, para algunos propósitos, es esencial el llenado completo con un material de alta resis-

El siguiente paso es la selección de un material de inyección adecuado. Algunas propiedades importantes de la lechada son sus características de bombeo,   como la viscosidad   la estabilidad, la granulometría de los sólidos suspendidos, la escala de la manera   duración del proceso de solidificación   sus propiedades al haber fraguado. El tercer paso es la  de los procedimientos que asegurarán que la lechada sea bombeada a los lugares requeridos para permanecer allí hasta que haya comenzado su solidificación. Esto puede incluir la perforación de un patrón de orificios, que serán inyectados de acuerdo a una secuencia planeada, controlando las propiedades de la lechada a partir de las estimaciones del tiempo de inyección.

tencia.

Finalmente,

SUMMARY

tados.

Grouting the art of injecting a fluid, which later  solidifies, into a   material   containing voids fissu res. It a   art with   applications struction,   of which are   elsewhere   this issue. Usually gr outing  out to  strength to reduce permeability. The purpose of grouting may be achieved at times by treatment of the larger voids only. Sometimes the final grout may require little strength. For    purposes however complete filling with high strength material essential.

Investigación

es

prudente

comprobar

los

resul-

La inyección de lechada puede ser aplicada para llenar los huecos originados por un proceso de construcción. Ejemplos de lo anterior son la inyección de lechada de cemento en   las construcciones de concreto inyectado. En estas situaciones, la naturaleza de los huecos se determina fácilmente   resulta controlable en la mayoría de los casos. En muchos otros ejemplos, el material a REVISTA IMCYC,

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ser inyectado es el suelo natural, que puede constituir la cimentación de una estructura, o bien la sustentación de un túnel o el tiro de una mina. En estos casos, la información   de la investigación del lugar puede revelar el motivo para considerar necesaria la inyección de lechada. La información básica puede incluir un reporte geológico o de suelos y corazones o muestras del terreno. Cuando se trata de una inyección de lechada en roca se puede efectuar una investigación más profunda mediante la perforación, de manera de establecer la orientación de los sistemas de conexiones y de llevar a cabo pruebas de bombeo de agua. Existen productos que permiten sellar secciones del hueco a ser rellenado y aplicar agua a presión a las fisuras intersectadas a niveles seleccionados. Si se mide la presión estática y la velocidad de entrada del chorro de agua a diferentes presiones y se relacionan los resultados con la tabla de corazones, se puede obtener una cantidad considerable de información acerca de las probabilidades de inyectar las fisuras y del potencial de la roca para acarrear agua en su estado presente. Después de la inyección de lechada, se pueden practicar pruebas a base de agua para verificar la efectividad del trabajo. Los perforadores desarrollado equipos altamente sofisticados; ple para utilizarse en

de pozos de petróleo han   métodos de interpretación sin embargo, el equipo simhuecos de diámetro pequeño

rinde bastante información útil. Con los datos nidos y la experiencia adecuada, es posible hacer  predicciones razonables acerca de las presiones de inyección seguras, el tipo de lechada que deberá usarse inicialmente y la cantidad aproximada que probablemente se requerirá. También es de mucha importancia la información   de las operaciones iniciales de inyección; cualquier plan debe ser modificado con base en esta información. Con frecuencia las cortinas de inyección de lechada bajo una presa se planean con pocos datos de investigación, y el grado de tratamiento se basa en los resultados de las operaciones iniciales realizadas en hoquedades muy grandes. En el caso de la inyección de lechada en un suelo, es vital efectuar una investigación completa del lugar  para lograr un plan efectivo. Deben determinarse la ubicación, la extensión y las propiedades de cada estrato del área. También debe estudiarse la permeabilidad de cada estrato, lo cual representa mayor  dificultad. La perforación de los huecos puede requerir de apoyo; asimismo, las pruebas de bombeo pueden alterar las propiedades del suelo adyacente al orificio. Tal vez sea mejor efectuar pruebas de laboratorio en muestras del lugar. No importa cuál método se aplique, es necesario seleccionar cuidadosamente el equipo que va a utilizarse y realizar  numerosas pruebas para obtener un cuadro confiable de trabajo.

PROPIEDADES RELATIVAS DE LAS LECHADAS (Aproximadas) Fluidez

inicial

 

Resistencia a las 24 hrs.

Usos generales en el tratamiento del suelo

Valor de la resistencia

Viscosidad

Pa**

Cemento = 1

Rapidez de de los geles

Pa

Portland 5

2

5x

Fisuras en rocas, grava

  bentonita

9

9

100

bentonita (modificada)

5

6

1 400

20-60

Arena gruesa mediana

l -3 00

Arena fina, fisuras en rocas finas (temporales)

Silicato de bicarbonato

2

600

Lignina de cromo

4

 A l t a

1.3

 A l t a

 A.M. 9

Tratamiento

10-120 <

Arena fina

l-300

Multiusos

5-800

Multiusos

Geoseal depende de

 A l t a

la mezcla l

1

centipoise

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1.02 kg

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 *

1

Pa

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temporal

de

  finas

arena

gruesa

Tipos de lechada La lechada común para el tratamiento de fisuras en rocas es una suspensión de cemento Portland en agua. Normalmente, la concentración del cemento es tal que la mayor parte del agua se usa sólo para transportación   es forzada a presión dentro de las fisuras   poros pequeños de la roca, dejando cemento concentrado en las fisuras más amplias, aproximadamente desde 0.2 mm de espesor. Cuando la lechada de cemento ha pasado por el hueco su velocidad disminuye, las partículas de cemento se acumulan por sedimentación en las superficies de las fisuras. El espesor del sedimento crece hasta que los granos comienzan a trabarse en la fisura. Al quedar restringido el flujo, la presión aumenta ocasiona que el cemento se concentre más. Para facilitar este mecanismo de depósito, la inyección de lechada de cemento se efectúa normalmente hasta el punto de “rechazo”, es decir, hasta que el flujo disminuye a un nivel insignificante. Un fluido a presión sigue siempre la trayectoria de la menor resistencia,   las fisuras de mayor tamaño siempre tienden a aceptar la inyección de lechada, impidiendo la aplicación de presión a las fisuras más finas. Por lo tanto, usualmente se perfora   se inyecta un segundo orificio si el primero tarda demasiado tiempo para llegar al punto de “rechazo”. En la inyección de lechada de cortinas, los huecos principales pueden estar muy espaciados; así, el tratamiento de los orificios secundarios puede efectuarse desde los huecos intermedios. Si la presión en un orificio tarda en aumentar, se acostumbra incrementar la concentración de cemento en la lechada; por otro lado, cuando el flujo disminuye con demasiada rapidez, se reduce la concentración de cemento en la lechada. Se requiere considerable habilidad   experiencia por parte del operador en lo que respecta al manejo de la presión   al proporcionamiento de las mezclas, de manera de obtener el máximo resultado de cada inyección. En fisuras abiertas se puede añadir arena o arcilla a la lechada de cemento para hacerla más densa. En suelo compacto o en lugares donde las presiones estén restringidas severamente, puede ser benéfico usar lubricantes o estabilizadores. El tiempo de inyección de la lechada de cemento es muy flexible. Las inyecciones de cemento efectivas pueden tomar de  a 12 horas o más. Muchas otras lechadas solidifican químicamente, de acuerdo a una escala de tiempos fija,   dependen de la predicción acertada del tiempo de penetración. Las lechadas basadas en suspensiones de sólidos forman un filtro de sólidos en o cerca de los imites de cualquier poro de tamaño un poco mayor que el de los sólidos de la lechada. Las lechadas de

cemento, por ejemplo, no penetran a través de la arena.

Para fisuras de arena o de rocas finas se pueden utilizar lechadas a base de bentonita, que posee partículas más finas que el cemento. La bentonita se puede usar en combinación con el cemento (como estabilizador) o con modificadores químicos que inicialmente mejoran las propiedades de flujo   que de un intervalo controlable conducen a la formación de geles irreversibles. Estas lechadas se emplean para el tratamiento de suelos con un mínimo de permeabilidad de  Al retirar la fracción gruesa de la bentonita por medio de una clasificación ciclónica, se pueden tratar  suelos con una permeabilidad de 3 x En la figura 1 se muestran algunas de las propiedades de las lechadas de bentonita. Los suelos más finos requieren del uso de soluciones elaboradas para formar un gel o precipitarse según una escala de tiempos controlada. Los imites de la aplicabilidad de las soluciones dependen de la permeabilidad del suelo, de la viscosidad de la lechada, del tiempo de fraguado, del espaciamiento de los puntos de inyección   de una presión de inyección segura. La economía así como las presiones   espaciamientos prácticos usualmente limitan el tratamiento de suelos con permeabilidades mayores de 1 Las suspensiones  como las lechadas gruesas de cemento o las de bentonita tienen las propiedades reológicas de los fluidos de Bingham. Esto significa que poseen un elemento de resistencia a fluir independiente de la velocidad. En una inyección de lechada lo anterior se traduce en que el área superficial de vacíos en contacto con la lechada se relaciona con la presión requerida para originar el flujo. Esto tiende a limitar el alcance de penetración de la lechada a una presión determinada. Es más probable que las soluciones sean fluidos newtonianos, que no ofrecen resistencia a fluir  hasta que el flujo comienza. De aquí que las lechadas basadas en soluciones fluyan indefinidamente, hasta que la reacción química inicia la formación de los geles (figura 2). En un suelo uniforme se forma una zona esférica de suelo inyectado a medida que penetra la lechada. Sin embargo, los suelos naturales pocas veces son uniformes. En un estrato la permeabilidad en dirección horizontal puede ser  más alta que en dirección vertical,   con frecuencia los depósitos aluviales abarcan capas de diferentes estratos. Una técnica que ayuda a compensar lo anterior es continuar la inyección después del tiempo de formación del gel obtenido en las mezclas de prueba. Puesto que la formación de geles va precedida por un aumento en la viscosidad, la lechada más fresca tiende a penetrar dentro   finalmente a través de la primera lechada, de manera que las fisuras más finas son tratadas oportunamente (figura 3). REVISTA IMCYC, VOL. XV, No. 85

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Técnicas de inyección

El equipo para la inyección de cemento incluye una planta mezcladora de alta velocidad, una planta agitadora para mantener las suspensiones inestables y un dispositivo de tamizado, así como las bombas y conductos adecuados. Los detalles dependen de la producción requerida y de la disposición del lugar. Normalmente se requiere contar con el equipo necesario para practicar mediciones de prueba del flujo de agua. Un hueco profundo puede ser inyectado progresivamente conforme avanza su tratamiento, utilizando mayor presión a medida que la profundidad aumenta. Alternativamente se pueden usar rellenos para inyectar secciones específicas de un hueco totalmente perforado. Antes de la inyección puede

ser conveniente lavar el suelo a base de agua bombeada, para remover materiales   tos. Las cortinas de lechada en rocas con frecuencia se forman a partir de una sola   de huecos. El tratamiento del aluvión puede basarse en una penetración del suelo tan pequeña como 0.5 m desde cada punto de inyección (figura 4). De aquí que las cortinas de hileras múltiples con fases de inyección muy cortas sean bastante usuales. Es posible que sea necesario contar con varias operaciones sofisticadas de mezclado, aplicando un estrecho control de calidad en cada una de ellas. Las aplicaciones más ambiciosas probablemente requerirán de amplios conocimientos científicos durante sus tres etapas principales, es decir, la investigación, la   y la ejecución.

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