DEGUSSA - Shotcrete Para Soporte de Rocas

Chile:

MBT International Underground Construction Group

MBT Chile

Colombia:

MBT Colombia Región América:

Master Builders, Inc. Shotcrete & Underground Systems 23700 Chagrin Boulevard Cleveland, OH 44122-5554 EE. UU. Teléf.: 1-216-839-7500 Fax: 1-216-839-8827 Equipos:

MEYCO Equipment División de MBT (Suiza) S.A. Hegmattenstrasse 24 8404 Winterthur (Suiza) Teléf.: 41-52-244-0700 Fax: 41-52-244-0707

Calle 76 No. 13 – 27 Bogotá Teléf.: 57-1-217-3332 Fax: 57-1-321-7513 Ecuador:

MBT Concretesa Sosaya 133 y Ave. Americas Casilla 2515. Quito Teléf.: 593-256-6011 Fax: 593-256-9272 Peru:

MBT UNICON PERU

México:

Plácido Jiménez 958 Lima Teléf.: 511-385-1905 Fax: 511-385-2065

MBT México

Venezuela:

Blvd. M. Avila Camacho 80, 3er piso 53390 Naucalpán, Edo. de México Teléf.: 52-55-21-22-2200 Fax: 52-55-21-22-2201 Argentina:

MBT Argentina S.A. España 1651 Colectora Oeste – Ruta Panamericana Km 47,5 Buenos Aires (1625) Teléf: 54-34-88-43-3000 Fax: 54-34-88-43-2828

MBT Venezuela C.C. Libertador PH-3 C. Negrin y Av. Los Jabillos. Caracas Teléf.: 582-212-762-5471/ 75 Fax: 582-212-761-7001 España:

Bettor MBT, S.A.

Brasil:

Duero, 23 Polígono Industrial Las Acacias 28840 Mejorada del Campo (Madrid) Teléf.: 34-91-668-0900 Fax: 34-91-668-1732

MBT Brasil

Bettor MBT, S.A.

Avenida Firestone 581 09290-550 Santo André São Paulo Teléf.: 55-11-4478-3118 Fax: 55-11-4479-0338

Basters 13 –15 08184 Palau de Plegamans (Barcelona) Teléf.: 34-93-862-0000 Fax: 34-93-862-0020

Tom Melbye

División de MBT (Suiza) S.A. Vulkanstrasse 110 8048 Zurich (Suiza) Teléf.: 41-1-438-2210 Fax: 41-1-438-2246

Nucleo Empresarial ENEA Rio Palena 9665 Pudahuel, Santiago de Chile Teléf.: 56-2-444-9760 Fax: 56-2-444-9761

SHOTCRETE PARA SOPORTE DE ROCAS

Mundial / Región Europa:

SHOTCRETE PARA SOPORTE DE ROCAS Tom Melbye Director MBT International Underground Construction Group

SHOTCRETE PARA SOPORTE DE ROCAS Tom Melbye Director MBT International Underground Construction Group

Coautores:

Ross Dimmock Gerente técnico MBT International Underground Construction Group

Knut F. Garshol Ingeniero geológico M.Sc. MBT International Underground Construction Group

Agradecimiento

Los autores desean manifestar su sincero agradecimiento a varios colegas del Departamento de Construcciones Subterráneas de MBT por su colaboración y apoyo en la preparación de este documento, especialmente a Christian Krebs y Thomas Kurth (MEYCO Equipment).

Índice 1. 1.1 1.2 1.3 1.4

Introducción ¿Qué significa shotcrete? ¿Dónde se utiliza el shotcrete? Principios del shotcrete Diferencia entre los dos métodos

2. 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.2

Método por vía seca Composición de una mezcla seca Contenido de cemento Relación agua/cementante Contenido de humedad natural Aditivos Adiciones Fibras Comparación entre las mezclas preparadas en obra y el material predosificado Problemas del proceso de proyección de mezclas secas Conclusiones

15 15 15 15 16 16 18 18

Método por vía húmeda Razones del cambio al método por vía húmeda Economía Ambiente de trabajo Calidad Aplicación Ventajas Desventajas Resumen del método por vía húmeda Diseño de la mezcla para proyección por vía húmeda Microsílice Ventajas especiales del shotcrete con microsílice Agregados Aditivos: Plastificantes y superplastificantes Acelerantes de fraguado tradicionales Comportamiento químico de los acelerantes de aluminato durante el proceso de hidratación Silicatos sódicos modificados/water glass Campos de aplicación Dosificaciones típicas Acelerantes de shotcrete libres de álcalis Formación de polvo

23 24 24 24 25 25 26 26 27 27 28 28 29 31 34

2.3 2.4

© Copyright MBT International Underground Construction Group, Division of MBT (Switzerland) Ltd., 1994 Este documento es propiedad exclusiva de MBT International Underground Construction Group, Division of MBT (Switzerland) Ltd., con domicilio social en 8048 Zurich (Suiza), Vulkanstrasse 110. Prohíbida la reproducción total o parcial de este documento mediante cualquier sistema, sin la autorización por escrito de MBT International Underground Construction Group, Division of MBT (Switzerland) Ltd. El incumplimiento de esta prohíbición puede conducir a acciones legales. Basado en la novena edición de la versión original inglés «Sprayed Concrete for Rock Support», 2001. Segunda edición, enero de 2002, 2000 copias.

3. 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2 3.3 3.4 3.5 3.5.1 3.5.1.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.5.4.1 3.5.4.2 3.5.4.3 3.5.4.4 3.5.5 3.5.5.1

9 9 11 11 13

19 20 22

35 39 40 40 41 42

3.5.5.2 3.5.5.3 3.5.5.4 3.5.5.5

Terminología confusa: ¿«no cáustico»? ¿«libre de álcalis»? Acelerantes líquidos no cáusticos libres de álcalis Acelerantes sin álcalis en polvo MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170: Uso según el tipo de cemento 3.5.5.6 Comparación de las resistencias iniciales con acelerantes tradicionales de aluminato 3.5.5.7 Dosificación y equipos 3.5.5.8 Compatibilidad con otros acelerantes 3.5.5.9 Requisitos especiales para utilizar los productos MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170 para proyección por vía húmeda 3.5.5.10 Resultados típicos de pruebas de campo 4.

4.3.5 4.3.6 4.4

Avances en la tecnología de aditivos para el shotcrete Sinopsis Delvo®crete Introducción Shotcrete fabricado por vía húmeda Dosificación y transporte del shotcrete fabricado por vía húmeda Control de la hidratación del cemento Propiedades Tiempos de fraguado Resistencias Rebote Economía Resumen Casos de estudio Curado interno del concreto Antecedentes Curado interno del concreto con MEYCO® TCC735 Tecnología comprobada Ventajas del curado interno del concreto con MEYCO® TCC735 Una solución más segura y económica Resultados de las pruebas de proyección Conclusión

5. 5.1 5.2 5.3 5.3.1

Refuerzo de fibras ¿Por qué es necesario reforzar el concreto? Comportamiento de las fibras metálicas en el shotcrete Clases de fibras Fibras de vidrio

4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.2.8 4.2.9 4.2.10 4.2.11 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4

44 45 49 50 52 54 57 57 58

81 81 81 82 84 85 87 90 90 91 92 93 96 96 101 102 103 104 105 105 106 108 109 109 110 111 111

5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.4 5.5 5.6.

Fibras sintéticas Fibras de carbono Fibras metálicas Ventajas técnicas de las fibras metálicas Ventajas económicas de las fibras metálicas Diseño de la mezcla para el shotcrete reforzado con fibra metálica

111 113 113 113 116 116

6. 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11

Durabilidad del shotcrete Diseños construibles Especificaciones y guías Aptidud del equipo de construcción Diseño de la mezcla de shotcrete Nuevos aditivos acelerantes libres de álcali Estabilidad química de los nuevos acelerantes Durabilidad del refuerzo de fibra metálica Requisitos de aplicación Conclusión Ejemplo de C-45 Efectos de utilizar diferentes diseños de mezclas

118 119 120 120 121 122 123 124 124 124 125 126

7. 7.1 7.1.1 7.1.1.1

127 127 127

7.1.1.2 7.1.1.3 7.1.2 7.1.2.1 7.1.2.2 7.2 7.2.1 7.2.1.1 7.2.2 7.2.3 7.3 7.4 7.5 7.5.1 7.5.2

Equipos Aplicación manual Equipos/sistemas para la proyección por vía seca Principios de funcionamiento (MEYCO® Piccola, MEYCO® GM) Avances Sistemas integrados para aplicación manual Equipos/sistemas para la proyección por vía húmeda Avances Sistemas integrados para aplicación manual Proyección mecanizada Brazos de proyección Brazos de proyección asistidos por computadora Sistemas móviles de proyección Ventajas de la proyección mecanizada Sistemas de dosificación Sistemas de boquilla Sistemas para mediciones del desarrollo de resistencia Aguja de penetración Prueba de adherencia (pull-out)

8. 8.1

Diseño de soporte de rocas Mecanismos activos del shotcrete sobre roca

147 151

127 129 129 130 130 133 134 134 138 140 142 143 143 145 145 145

8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8

Shotcrete sobre roca diaclasada Shotcrete sobre roca blanda o fisurada Fundamentos de mecánica de rocas Método NATM Propiedades importantes del shotcrete para soporte de roca Refuerzos Métodos de soporte de túnel

9.

9.9 9.10 9.10.1 9.10.2 9.11 9.12 9.12.1 9.12.2 9.13 9.14 9.14.1 9.14.2 9.14.3

Revestimientos permanentes de shotcrete para túneles 165 Desarrollo de los revestimientos permanentes con shotcrete para túneles 165 Relación coste/eficacia de los revestimientos de túneles de una pasada 166 Opciones de SPTL 166 Geometría del túnel 168 Refuerzos del revestimiento 168 Varillas de refuerzo y mallas electrosoldadas 168 Refuerzos de fibras metálicas 169 Fortificaciones 171 Juntas de construcción relacionadas con la secuencia de excavación 172 Método SPTL de dos capas: juntas de construcción de la segunda capa 173 Método SPTL de dos capas: primera y segunda capa 174 Acabado superficial 176 Nivelación y alisado con llana 176 Sistemas de revestimientos 177 Durabilidad del shotcrete 178 Recomendaciones para la construcción 178 Requisitos de aplicación 178 Pautas de selección en sistemas modernos de aplicación 181 Sistemas de manejo de riesgo 181 Aumento de la estanqueidad con membranas proyectables 183 Túneles de SPTL sujetos a filtraciones potenciales de agua 184 Túneles SPTL con acceso activo de agua 185 Rehabilitación de túneles 185

10. 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5

Guía de aplicación del shotcrete Preparación del substrato Técnicas de proyección generales Menos rebote, más calidad Proceso por vía húmeda y brazos de proyección robotizada Destreza del operario

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.5.1 9.5.2 9.6 9.7 9.8

152 154 155 158 160 162 163

187 187 189 191 195 196

11. 11.1 11.2

Tiempo y economía Ejemplo de cálculo Conclusiones

198 198 199

12.

Aplicaciones futuras del shotcrete

200

Referencias

202

Apéndice «Especificaciones particulares para el shotcrete»

205

Capítulo 1 Introducción La creatividad del hombre surge de su deseo natural de conocer y de su capacidad de aprender. Los exploradores y los descubridores poseen estos rasgos en dosis extremas: movidos por una curiosidad a toda prueba, se atreven a ir más allá de los bordes de lo conocido, a explorar la naturaleza de las cosas, a buscar los vínculos que conectan ideas, hechos, concepciones, a ver las cosas desde una luz diferente, a cambiar las percepciones de la humanidad. Un hecho bien conocido de la industria de la construcción – y en particular de la industria de la construcción subterránea – es que no hay un proyecto que sea igual a otro. Cada uno está acompañado por una verdadera maraña de parámetros y circunstancias que generan un grado de complejidad superior al de otras industrias, obligando a contratistas y a abastecedores a trabajar con una mente sumamente flexible. El shotcrete posee ventajas enormes en su calidad de proceso de construcción y de soporte de rocas; ello, sumado al avance logrado en materiales, equipos y conocimientos de aplicación, ha hecho de esta técnica una herramienta muy importante y necesaria para los trabajos de construcción subterránea. En particular, la tecnología moderna de shotcrete por vía húmeda ha ampliado el campo de trabajo de la construcción subterránea. Proyectos que en el pasado eran imposibles de llevar a cabo, son ahora viables. Independientemente del tipo de terreno, hoy en día es posible aplicar esta tecnología en cualquier condición.

1.1

¿Qué significa shotcrete?

El shotcrete (mortero, o «gunita») comenzó a utilizarse hace casi 90 años. Los primeros trabajos con shotcrete fueron realizados en los Estados Unidos por la compañía Cement-Gun (Allentown, Pensilvania) en 1907. Un empleado de la empresa, Carl Ethan Akeley, necesitaba una máquina que le permitiera proyectar material sobre mallas para construir modelos de dinosaurios, e inventó el primer dispositivo creado para proyectar materiales secos para construcciones nuevas.

9

Cement-Gun patentó el nombre «Gunite» para su mortero proyectado, un mortero que contenía agregados finos y un alto porcentaje de cemento.

1.2

La gran cantidad de ventajas que tiene el shotcrete como proceso de construcción, y los avances logrados en equipos, materiales y conocimientos, lo han convertido en una herramienta importante para una variedad de trabajos.

Hoy en día todavía se utiliza el nombre «gunita». En ciertas clasificaciones equivale al mortero proyectado, pero los límites de tamaño de grano varían (según el país, la definición del límite para el agregado máximo es de 4, 5, o incluso hasta 8 mm). Para evitar esta confusión entre mortero proyectado y shotcrete, en este libro utilizaremos la expresión «shotcrete» (o gunita) para referirnos a la mezcla proyectada de cemento y agregados.

Se aplica shotcrete para resolver problemas de estabilidad en túneles y en otras construcciones subterráneas. Además, hoy en día esta técnica es un factor clave para el soporte de rocas en aplicaciones tales como: • Construcción de túneles • Operaciones mineras • Hidroeléctrica • Estabilización de taludes

Actualmente existen dos métodos de aplicación para el shotcrete: el proceso de vía seca y el de vía húmeda. Las primeras aplicaciones del shotcrete se hicieron mediante la vía seca; en este método se coloca la mezcla de cemento y arena en una máquina, y la misma se transporta por mangueras mediante la utilización de aire comprimido; el agua necesaria para la hidratación es aplicada en la boquilla.

Más del 90 % de todo el shotcrete es utilizado para soporte de rocas. Actualmente el uso del shotcrete es menos frecuente que el del concreto tradicional; sin embargo, este material ofrece la posibilidad de una gran variedad de aplicaciones, entre ellas: • Recubrimientos de canales • Reconstrucción y reparaciones • Pantallas marinas • Concreto refractario • Protección contra incendio y anticorrosiva • Construcciones nuevas • Agricultura (pozos de estiércol) • Mampostería y estabilización de muros de ladrillo

El uso del método por vía húmeda comenzó después de la Segunda Guerra Mundial. A semejanza del concreto ordinario, se preparan las mezclas con toda el agua necesaria para hidratarlas, y se bombean en equipos especiales a través de las mangueras. La proyección del material se efectúa mediante la aplicación de aire comprimido a la boquilla. Si bien algunas personas afirman que el shotcrete es un concreto especial, lo cierto es que no es sino otra manera más de colocar el concreto. Al igual como ocurre con los métodos tradicionales de colocación, el shotcrete requiere ciertas características particulares del concreto durante la colocación, y al mismo tiempo requiere satisfacer todas las demandas tecnológicas normales del concreto – relación agua/cementante, cantidad de cemento, consistencia correcta y postratamiento. En el mundo entero abundan trabajos de shotcrete de mala calidad debido a que la gente se olvida de que el shotcrete no es sino otra manera de colocarlo, y de que es fundamental cumplir con todos los requisitos tecnológicos del concreto. Los equipos para la ejecución de ambos métodos (vía húmeda y vía seca) han mejorado de manera significativa. En un capítulo aparte se describirán los últimos avances de la tecnología.

¿Dónde se utiliza el shotcrete?

El shotcrete es el método de construcción del futuro debido a sus características de flexibilidad, rapidez y economía. ¡El único límite para su uso es la imaginación del hombre!

1.3

Principios del shotcrete

Usuarios importantes de shotcrete han adquirido el conocimiento de la técnica a través de experiencia práctica, investigación y desarrollo. Igualmente, el desarrollo de equipos y métodos de control ha conducido a una producción racional y a una calidad más uniforme del

10

11

producto. Desde un punto de vista internacional, podemos decir sin equivocación que hemos logrado grandes avances desde los tiempos en los que se utilizaba shotcrete para estabilizar rocas; sin embargo, también hay que reconocer que estamos atrasados cuando lo utilizamos para proyectos de construcción y reparación. La razón de este retraso no tiene una explicación sencilla. El conocimiento existe, pero no se emplea totalmente.

1.4

Diferencia entre los dos métodos

Hay dos métodos de shotcrete: seco (al que se le añade el agua de hidratación en la boquilla de proyección), y húmedo (aquel en el que las mezclas transportadas contienen ya el agua necesaria para la hidratación). Ambos métodos tienen sus ventajas y desventajas, y la selección de uno u otro dependerá de los requisitos del proyecto y de la experiencia del personal encargado de ejecutarlo. Ambos serán empleados en la industria de la construcción del futuro.

Figura 1: Proyección a control remoto Las regulaciones actuales imponen demandas tecnológicas en las personas que hacen el trabajo de proyección, y los requisitos actuales han conducido a una mejor capacitación del personal. Asimismo, en los últimos años ha aumentado el número de contratistas especiales; todo ello ha redundado en aplicaciones de mejor calidad. Sin embargo, la falta de conocimientos supone riesgos de trabajos deficientes; éste es el caso particular de proyectos menores para los cuales los contratistas carecen de experiencia en shotcrete. Tales problemas pueden eliminarse estableciendo requisitos más estrictos en competencia, experiencia previa, personal capacitado y conocimiento sobre concreto, y exigiendo las autorizaciones pertinentes. El contratista debe exigir un documento de autorización para shotcrete que tenga una validez general, tal como el que existe para colocación y armadura (similar al de la Asociación de Shotcrete del Reino Unido). 12

Figura 2: La máquina MEYCO® Suprema ofrece una proyección sin pulsaciones y un sistema de control computarizado (con controlador lógico programable). Hasta hace pocos años, el método más utilizado era el de proyección por vía seca, pero hoy en día la tendencia ha cambiado, especialmente en shotcrete para soporte de rocas. El método dominante del futuro será el de proyección por vía húmeda debido a que ofrece un mejor ambiente de trabajo, mayor calidad, uniformidad y producción. Los desarrollos en la tecnología del shotcrete están relacionados con el proceso de vía húmeda. Entre algunos ejemplos de desarrollos recientes figuran la adición de nuevas generaciones de adiciones (Delvo®crete, MEYCO® TCC, curador interno de concreto, microsílice y fibras metálicas).

13

Capítulo 2 Método por vía seca 2.1

Composición de una mezcla seca

2.1.1

Contenido de cemento En la fabricación de la mezcla seca se utiliza usualmente una proporción de cementante que varía entre 250 y 450 kilogramos por 1000 litros de agregado, o entre 320 y 460 kilogramos por metro cúbico de concreto. Para estimar el contenido real de cemento del shotcrete aplicado, es necesario considerar el rebote. El principal efecto del rebote es la pérdida del agregado de mayor tamaño, que conduce a un aumento del contenido de cemento si se lo compara con la mezcla inicial. En una mezcla regular de 350 kg de cemento por m3, un rebote del 20 % se traduce aproximadamente en 400 kg de cemento por m3 de shotcrete.

Figura 3: La máquina MEYCO® Piccola sobresale por su robustez, simpleza de operación y adaptabilidad a las condiciones específicas de la obra. Actualmente, un 70 % del shotcrete se aplica mediante vía húmeda, mientras que el 30 % restante se aplica por vía seca. En algunas regiones del mundo predomina el método por vía húmeda (casi 100 % en Escandinavia e Italia). Hoy en día se aplican en el mundo entero más de 8 millones de m3 al año. 2.1.2

Relación agua/cementante La relación agua/cementante tiene una influencia fundamental en la calidad del shotcrete. El agua total utilizada en la mezcla seca se compone del agua de mezcla añadida en la boquilla y la humedad ya presente en el agregado. A diferencia de la proyección por vía húmeda, en la proyección por vía seca no hay un valor definido para la relación agua/cementante debido a que el operario de la boquilla es quien controla y regula la cantidad del agua de mezcla; generalmente, esto es una gran desventaja. No obstante, en la práctica el factor agua/cementante es bastante constante debido a que el alcance de la variación es limitado: si se agrega muy poca agua, se crea inmediatamente un exceso de polvo; si se agrega demasiada agua, el shotcrete no se adherirá a la superficie. Si se utiliza una técnica correcta, el factor agua/cementante varía sólo ligeramente y permanece por debajo de 0,5. En el mejor de los casos (agregados que requieran una baja cantidad de agua, suficiente contenido de cemento), es incluso posible fabricar shotcrete con una relación inferior a 0,4.

14

15

2.1.3

Contenido de humedad natural Otro aspecto importante de la mezcla seca es el contenido de humedad natural. Cuando la mezcla está demasiado seca, la proyección produce una cantidad excesiva de polvo; por otra parte, si el contenido de humedad es demasiado alto, el rendimiento de shotcrete disminuye drásticamente, y las maquinarias y las mangueras transportadoras se taponan. El contenido de humedad natural óptimo debe oscilar entre el 3 y el 6 por ciento. Además de las mezclas hechas en el sitio, en los últimos años se ha tendido a utilizar materiales secos que llegan al sitio de trabajo empacados en sacos o silos, los cuales, por supuesto, no contienen humedad natural. Para reducir la formación de polvo, es aconsejable hidratar el material seco antes de introducirlo en la maquinaria de proyección, y para ello existen dispositivos alimentadores de diseño especial o boquillas de prehumidificación.

2.1.4

Aditivos Existen varios aditivos cuya función es controlar las propiedades del shotcrete. Entre los más importantes figuran los acelerantes de fraguado; estos aditivos reducen el tiempo de fraguado. El shotcrete exhibe un fraguado más rápido y una resistencia inicial mayor, lo cual permite aplicar capas subsecuentes de shotcrete con mayor rapidez y en espesores mayores. En proyectos de gran escala, los acelerantes contribuyen a aumentar la productividad y son un prerrequisito importante para muchas aplicaciones; como ejemplo, en trabajos de construcción subterránea, la resistencia inicial del shotcrete es un factor esencial. Tal como es bien conocido en la tecnología de construcción, acelerar la hidratación del cemento lleva a una reducción de la resistencia a los 28 días. Por tanto, para obtener resultados de alta calidad en el shotcrete, es crítico añadir la menor cantidad posible del acelerante y hacerlo de manera uniforme. En cada caso debe determinarse la proporción de acelerante según la cantidad de cemento utilizado. Hay acelerantes líquidos y acelerantes en polvo; estos últimos (p. ej., el acelerante libre de álcalis MEYCO® SA545) son añadidos durante la alimentación del material al equipo de proyección. Desdichadamente, en muchas partes aún se agrega el polvo a 16

mano, lo cual imposibilita garantizar dosificaciones exactas y usualmente conduce a una sobredosis masiva distribuida de manera desigual. Varios estudios han demostrado que la resistencia final del material sufre una reducción del 35 % o más si se lo compara con el concreto base (es decir, sin acelerante). Por tanto, la dosificación manual debe hacerse únicamente en casos excepcionales, o para aplicaciones de shotcrete cuyos requisitos de calidad no sean estrictos. Los dispositivos alimentadores utilizados en combinación con aparatos de dosificación en polvo ayudan a obtener una mayor precisión. Para óptimos resultados se utilizan tornillos sinfín de alimentación, equipados con un dosificador de eje (p. ej., el instrumento MEYCO® Rig 016). No se recomienda utilizar alimentadores de correa transportadora. Los materiales empacados y modificados de forma apropiada podrían ser una solución conveniente al problema de dosificación. Sin embargo, con frecuencia y especialmente en proyectos grandes, resultan excesivamente costosos. La mejor forma de garantizar una dosificación precisa del acelerante durante la aplicación es utilizar productos líquidos (tales como el acelerante libre de álcalis MEYCO® SA160), los cuales son medidos en el agua de mezcla y agregados al material seco en la boquilla. Sin embargo, para obtener una dosificación constante es esencial utiizar un sistema de dosificación apropiado, incluso con acelerantes líquidos. Cuando se requiere mezclar previamente el agua y los acelerantes, las máquinas son apropiadas sólo hasta cierto punto. Dado que la relación agua/acelerante es fija, se altera la dosificación según el peso del cemento cada vez que el operario de la boquilla ajusta la incorporación de agua. Sin embargo, es necesario ajustar la cantidad de agua, por ejemplo, para responder a variaciones en la humedad natural del agregado o en el comportamiento del flujo de agua en la superficie. Las bombas de pistones garantizan obtener una proporción constante cemento/acelerante. Estas bombas miden una cantidad constante del aditivo, proporcional a la capacidad de la máquina de proyección, independientemente del ajuste del caudal de agua (p. ej., MEYCO® Mixa). En comparación con los acelerantes de polvo, los líquidos tienen más ventajas porque eliminan el problema de componentes cáusti17

cos en el polvo de rociado. La dosificación en la boquilla previene el fraguado instantáneo. Dada la mezcla uniforme con el material de proyección, es posible medir los acelerantes líquidos de una manera más económica, lo cual también puede llevar a mayores resistencias finales. La experiencia ha demostrado que, en comparación con el concreto básico, la pérdida de resistencia final del material acelerado puede ser inferior al 25 %. Aparte de los acelerantes, los otros aditivos utilizados en el proceso de proyección seco son los aglomerantes de polvo, los cuales reducen la formación de polvo. Sin embargo, se utilizan poco.

2.1.5

Adiciones A diferencia de los aditivos químicos, el efecto de las adiciones es principalmente físico. Entre las más conocidas figuran los rellenos minerales conocidos como microsílice (o humos de sílice), cuya importancia ha crecido dentro de la industria. Estas sustancias finas (superficie de 20 – 35 m2/g) con una proporción de SiO2 que varía entre el 65 y el 97 %, según la calidad del producto, conducen a una importante mejora en la calidad del shotcrete, que se manifiesta en mayor resistencia a la compresión y mayor densidad. Debido a la mejor adherencia, es posible colocar capas más gruesas incluso sin tener que utilizar acelerantes. La microsílice tiene otro efecto interesante en el método por vía seca. Al añadirse de manera apropiada, su uso puede también conducir a una reducción del rebote hasta del 50 %. Elkem ha desarrollado una tecnología especial para añadir a la boquilla una pasta de 50 % (dosificada en el agua). Si bien el sistema de pasta es muy eficaz, es también bastante complicado porque requiere una bomba dosificadora especial (p. ej., MEYCO® Mixa) y un producto adicional en cantidades elevadas. La pasta debe almacenarse siguiendo las indicaciones, y usualmente se requiere un agitador.

2.1.6

Fibras La incorporación de fibras sintéticas o metálicas al shotcrete lleva a una mayor energía de rotura o menor retracción del material. El uso de fibras metálicas es poco frecuente en las mezclas secas en comparación con su uso en mezclas húmedas, y la razón es el 18

mayor rebote (>50 %) experimentado por el material en el caso de mezclas secas; tal cosa hace que la relación costo/rendimiento sea crítica. Sin embargo, gracias a la experiencia adquirida durante los últimos años y a las posibilidades presentes de reducir el rebote, se espera que el uso de fibras metálicas aumente con las mezclas secas.

2.2

Comparación entre las mezclas preparadas en obra y el material predosificado

Tal como ya se ha mencionado, el proceso seco permite utilizar mezclas con agregados con humedad natural o agregados secados al horno. Los primeros son más económicos y producen menos polvo; no obstante, su contenido de humedad natural es suficiente como para comenzar una hidratación prematura. Por tal razón, las mezclas de agregados con humedad natural tienen una vida de almacenamiento limitada y deben utilizarse en un tiempo no mayor de 2 horas. Un almacenamiento prolongado provoca mayor rebote y disminución de las resistencias finales. La fabricación de la mezcla seca en el sitio de trabajo supone la instalación de las plantas de dosificación y alimentación. Claramente, instalaciones como éstas sólo se justifican en proyectos importantes o a gran escala. En caso de proyectos de shotcrete de menor escala o a corto plazo, la mezcla seca puede obtenerse ya preparada en planta; esto puede generar problemas debido a la distancia de transporte y a la incertidumbre de una entrega segura. Es importante planificar cuidadosamente la entrega y colocación a fin de evitar retrasos e interrupciones del trabajo debido a suministros inadecuados. Los materiales ensacados o en silos permiten la máxima flexibilidad posible: debido a que pueden almacenarse durante largos períodos de tiempo, la planificación se simplifica. Además, se caracterizan por una calidad constante. Entre sus desventajas podemos citar su mayor tendencia a formar polvo (lo cual puede ser controlado por prehumidificación), y su precio considerablemente mayor. El desarrollo de sistemas de control de hidratación tales como Delvo®crete ha posibilitado prolongar la vida de almacenamiento de mezclas de agregados con humedad natural. Al agregar el estabilizador Delvo®crete durante la fabricación, la mezcla permanece fresca e inalterada. El activador líquido Delvo®crete es añadido en el 19

2.3

momento de la aplicación (se agrega como un acelerante líquido), y simultáneamente vuelve a activar la hidratación del cemento y actúa como un acelerante. Por tal motivo, cuando se utiliza Delvo®crete no es necesario cambiar la técnica ni el equipo.

apropiada del material seco en la boquilla. Dependiendo del sistema, la presión hidráulica aumenta hasta aproximadamente 80 bar. Sin embargo, tales aparatos son costosos y tienden a fallar. Nuestra experiencia indica que los sistemas con 10 a 15 bar son adecuados.

El sistema Delvo®crete para el control de la hidratación permite almacenar las mezclas hasta por tres días, lo cual ofrece más flexibilidad y menos costos que los materiales ensacados.

Además de la formación de polvo en la boquilla, es necesario también prestar atención al efecto que tiene el polvo del sistema de alimentación sobre la máquina. En este particular, las máquinas tradicionales de doble cámara o la versión moderna de la Sch¸renberg (SBS) son ventajosas. Sin embargo, las máquinas de rotor pueden ser condicionadas a prueba de polvo hasta cierto punto o incluso totalmente si se les acopla un recolector de polvo o si se hace una lubricación continua de los empaques de caucho (lubricación intermitente).

Problemas del proceso de proyección de mezclas secas

Todo proceso tiene sus desventajas; las del método por vía seca son sus costos operativos relativamente superiores debido al desgaste y daños en las máquinas de rotor, especialmente en los empaques de caucho y los discos de fricción. 1 = Tolva de alimentación 2 = Rotor 3 = Salida p = Aire comprimido

Figura 4: Principio de rotor de una máquina de proyección en seco típica (MEYCO® GM, MEYCO® Piccola) Para mantener estos costos dentro de límites razonables, es necesario configurar bien las máquinas, hacer cambios oportunos de piezas y utilizar procedimientos adecuados de pulverización. Otra desventaja es la formación de polvo, pero el mismo puede reducirse procurando un contenido favorable de humedad natural (o prehumidificación adecuada) y utilizando aglomerantes de polvo. También se pueden utilizar bombas de cebado de presión de agua, las cuales intensifican la presión de agua durante la mezcla en la boquilla. Si se usan en combinación con el uso de anillos de agua mejorados, es posible garantizar una humidificación constante y 20

Otra manera de obturar totalmente una máquina de rotor es incorporando un sistema de abrazadera hidráulica (p. ej., tal como en el caso del sistema MEYCO® Unica). El motor se sella con un manguito, y la presión de fijación es ajustada automáticamente a la presión de alimentación. Este sistema garantiza una presión de fijación correcta (incluso en el caso de obstrucciones o de distancias de alimentación extremas), garantizando así que la máquina permanezca sellada. Asimismo, este nuevo sistema de fijación reduce significativamente no sólo los costos resultantes del desgaste sino también la cantidad de aire comprimido requerido (reducción aproximada del 25 %). Otro problema importante del proceso de proyección en seco es el rebote relativamente alto. Según la superficie de aplicación en cuestión (vertical o en clave), se pierde entre un 15 y un 35 % del concreto. La pérdida promedio es del 20 al 25 %, comparada con 5 a 10 % con el proceso de proyección por vía húmeda. Para reducir el rebote de una manera significativa, se pueden utilizar las nuevas clases de adiciones y aditivos mencionados anteriormente. El uso de microsílice o de sistemas de control de la hidratación tales como Delvo®crete puede ayudar, y la pérdida promedio puede reducirse hasta un 15 %, lo cual es comparable con los resultados obtenidos con el proceso de proyección por vía húmeda. Frecuentemente se cita una desventaja adicional: el bajo rendimiento del equipo. No obstante, las máquinas modernas permiten aplicar más de 10 m3/h; esto es algo que indudablemente no es posible lograr con aplicación manual, sino con el uso de un brazo robotizado. 21

Sin embargo, dado el aumento en los costos de desgaste, una producción superior a 8 m3/h resulta crítica desde el punto de vista económico.

2.4

Conclusiones

Gracias a los muchos años de experiencia en el proceso de proyección en seco, existe hoy en día un gran conocimiento sobre la técnica. Es sumamente importante asegurarse de seleccionar materiales, equipos y técnicas de aplicación que puedan combinarse de la mejor manera posible para alcanzar resultados satisfactorios tanto en calidad como economía. El proceso en seco es el más antiguo de los dos procesos de proyección. Los continuos desarrollos en las maquinarias y en la tecnología de materiales han permitido ampliar su campo de aplicación. En un futuro se espera que siga desempeñando un papel importante, dadas las ventajas y las oportunidades disponibles hoy para solventar las desventajas tradicionales. Las aplicaciones principales serán proyectos de volúmenes relativamente pequeños o que requieran gran flexibilidad (p. ej., reparaciones), o con largas distancias de transporte.

Capítulo 3 Método por vía húmeda Tal como se mencionó anteriormente, este método es el único utilizado en Escandinavia, Italia y en un gran número de importantes proyectos subterráneos en todo el mundo. El uso del shotcrete para aplicaciones de soporte de rocas ha aumentado en forma exponencial en los últimos 15 a 20 años, lo cual ha impulsado un intenso desarrollo del mismo. Entre 1971 y 1980 se produjo un desarrollo impresionante del método por vía húmeda en Escandinavia, con consiguiente transformación total de su mercado de shotcrete: se pasó de 100 % de vía seca a 100 % de vía húmeda, y la aplicación pasó de manual a robótica. Este cambio radical ocurrió sólo en Noruega. Desde aproximadamente 1976 – 1978 se han venido agregando cada vez más el humo de sílice y la fibra metálica al shotcrete fabricado por vía húmeda. Sin duda alguna los noruegos llevan la delantera en la tecnología del shotcrete fabricado por vía húmeda, tanto en teoría como en práctica. La mala fama de la técnica de proyección por vía húmeda se debe a los deficientes equipos utilizados y al poco conocimiento del método, factores que han acarreado la producción de un concreto de muy baja calidad. Para que la mezcla pudiera pasar por el equipo, se utilizaban contenidos muy altos de agua, con una relación de agua/cementante hasta de 1,0. Gracias a la tecnología de la industria del concreto actual, hoy en día es totalmente factible producir shotcrete por vía húmeda que tenga una resistencia a la compresión a los 28 días superior a 60 MPa. Actualmente la tecnología se utiliza también en la construcción de nuevas edificaciones (en vez del método de colocación original) y en la reparación de plataformas petroleras en el Mar del Norte. Esto es una prueba fehaciente de la alta calidad del método, dados los estrictos requisitos que deben cumplir los métodos y los materiales utilizados en la construcción submarina.

22

23

3.1

Razones del cambio al método por vía húmeda

El método por vía húmeda mejoró significativamente las condiciones del ambiente de trabajo, trayendo consigo mayor seguridad para los trabajadores de túneles.

No se sabe por qué el cambio sucedido en Escandinavia no ha ocurrido en ningún otro país. Quizás la explicación se encuentre analizando las condiciones noruegas.

3.1.1

Economía La capacidad de proyección ha aumentado considerablemente desde los tiempos de maquinarias/robots de mezclado en seco, hasta los robots de vía húmeda modernos. En un turno de 8 horas, la capacidad promedio de proyección del método por vía húmeda es usualmente de 4 a 5 veces mayor que la del método por vía seca. Si bien los costos de inversión en los nuevos robots de vía húmeda aumentaron significativamente, al mismo tiempo hubo una caída igualmente significativa del costo de colocación del shotcrete, y también disminuyó uno de los principales factores de costo, a saber: el tiempo de preparación por cada ciclo. Gracias a los sistemas robóticos integrados, la aplicación del shotcrete puede comenzar a los pocos minutos de la llegada de los equipos al frente. La introducción de los perforadores hidráulicos aumentó la capacidad de perforación en un 100 %. El aumento de la inversión se tradujo en menores tiempos por ciclo de perforación y explosión; por tanto, el costo del tiempo aumentó. El tiempo gastado en la operación de proyección tenía que disminuir lo máximo posible, y por tanto fue fundamental aumentar la capacidad de aplicación de shotcrete. Asimismo, la reducción del rebote en aproximadamente un 25 % tuvo importantes repercusiones económicas.

3.1.2

Una de las situaciones que impulsó el desarrollo del método por vía húmeda fue el lanzamiento de concreto bajo condiciones peligrosas. Los riesgos a la seguridad eran frecuentemente inaceptables sin un robot y sin utilizar fibras metálicas para refuerzo.

Ambiente de trabajo Los operarios del proceso por vía seca estaban acostumbrados a trabajar en medio de una gran cantidad de polvo. Se emitía polvo no sólo desde la boquilla, sino también desde la máquina de proyección. Como norma general, los resultados de las mediciones de polvo en el ambiente de trabajo eran más de tres veces la cantidad permisible.

24

3.1.3

Calidad Todavía se piensa equivocadamente que el método por vía húmeda no ofrece resultados de alta calidad. Lo cierto es que si se utilizan aditivos reductores de agua (baja relación agua/cementante) y microsílice, se pueden obtener resistencias a la compresión de hasta 100 MPa aplicando shotcrete por vía húmeda. A diferencia del método por vía seca, el de vía húmeda ofrece una calidad homogénea.

3.1.4

Aplicación Con el método húmedo se utiliza un concreto ya mezclado en planta de concreto o un mortero preenvasado. El concreto se prepara de la misma forma que el concreto normal. En cualquier momento del proceso es posible inspeccionar y controlar la relación agua/cementante (y por tanto, la calidad). La consistencia puede ser ajustada por medio de aditivos. Con el método de vía húmeda es más fácil producir una calidad constante a lo largo del proceso de proyección. La mezcla ya lista se descarga en una bomba y se transporta a presión a través de la manguera. Al principio se utilizaban principalmente bombas helicoidales; hoy en día predominan las bombas de pistón. En la boquilla del extremo de la manguera, se agrega aire al concreto a razón de 7 – 15 m3/min y una presión de 7 bars según el tipo de aplicación (manual o robot). El aire tiene la función de aumentar la velocidad del concreto a fin de lograr una buena compactación y adherencia a la superficie. Un error común que se comete con el método de vía húmeda es utilizar cantidades insuficientes de aire. Generalmente se agregan entre 4 y 8 m3/min, lo cual lleva a menores 25

resistencias a la compresión así como también adherencia deficiente y rebote. Para la proyección robotizada se requieren hasta 15 m3/min de aire.

3.4

Con la proyección robotizada de superficies suficientemente grandes por vía húmeda, es posible lograr (con un operario) una producción promedio de 60 – 100 m3 con rebote inferior al 10 %, en un turno de trabajo de 8 horas.

Además de aire, se añaden acelerantes de fraguado en la boquilla. Todavía hay quien cree que no es posible obtener concreto resistente a la congelación, y que los acelerantes de fraguado empeoran la adherencia del shotcrete. Los resultados de varios estudios, aunados a la experiencia práctica, demuestran que los acelerantes logran una mejor resistencia a la congelación debido a que producen un concreto más compacto y duradero; asimismo, mejoran la adherencia porque evitan el escurrimiento del concreto sobre el terreno, y éste se adhiere inmediatamente a la superficie.

3.2

A continuación se expone un resumen de las ventajas del método de vía húmeda en comparación con el de vía seca: • Rebote mucho menor. Con el uso de equipos apropiados y de personal capacitado, se obtienen pérdidas normales que oscilan entre 5 y 10 %, incluso para el caso de proyección de concreto reforzado con fibras. • Mejor ambiente de trabajo debido a la reducción del polvo. • Capas más gruesas gracias al uso eficiente de los materiales de mezcla. • Dosificación controlada del agua (relación agua/cementante constante y definida). • Mejor adherencia. • Mayor resistencia a la compresión, y uniformidad de resultados. • Producción muy superior, y por tanto más economía. • Uso de fibras metálicas y nuevos aditivos.

3.3

Desventajas

• • • •

Al comparar los métodos seco y húmedo, puede concluirse que el primero debe ser utilizado para aplicaciones de volúmenes pequeños (p. ej., reparaciones) y en condiciones muy especiales (distancias largas, interrupciones repetidas, etc.), mientras que el método por vía húmeda debe utilizarse en todo trabajo de soporte de rocas.

3.5

Ventajas

Distancia de transporte limitada (máx. 300 m). Mayores demandas en la calidad del agregado. Sólo se permiten interrupciones limitadas. Costos de limpieza.

26

Resumen del método por vía húmeda

Diseño de la mezcla para proyección por vía húmeda

Elementos necesarios para producir un buen shotcrete con el método por vía húmeda: • Cemento • Microsílice • Agregados • Aditivos • Acelerantes líquidos de fraguado, libres de álcalis • Fibras • Postratamiento • Equipo de proyección apropiado • Correcta ejecución de la técnica A continuación se mencionan aspectos individuales que pueden influir en la calidad del material obtenido. Tal como se mencionó anteriormente, el shotcrete tiene los mismos requisitos que el concreto normal utilizado en construcción, a saber: • Baja relación agua/cementante • Menos agua • Menos cemento • Buena capacidad de colocación Las diferencias entre las propiedades del concreto fresco y del endurecido son particularmente pronunciadas en el caso del shotcrete. Este hecho disminuye la calidad del shotcrete fabricado por vía húmeda; sin embargo, la diferencia puede controlarse con el uso de aditivos reductores de agua, microsílice y fibras. 27

3.5.1

• Mayor resistencia a la permeabilidad • Menos rebote • Mayor resistencia a los sulfatos

Microsílice Se considera que el humo de sílice (o «microsílice») es una puzolana muy reactiva con alta capacidad para fijar iones extraños, particularmente álcalis.

En el shotcrete reforzado con fibra, la adición de microsílice ofrece además: • Mayor facilidad de mezcla y distribución de las fibras • Menos rebote de las fibras • Mejoramiento del enlace entre la matriz de cemento y las fibras

La microsílice tiene un efecto de relleno; se cree que distribuye los productos de hidratación de manera más homogénea en el espacio disponible, produciendo así un concreto con menor permeabilidad, mayor resistencia a sulfatos y más durabilidad ante ciclos de congelación y deshielo.

Tal como se ha señalado, es importante siempre agregar microsílice al shotcrete.

Al analizar las propiedades del concreto con microsílice, es importante tener en cuenta que la microsílice puede utilizarse de dos maneras: • como reemplazo del cemento, para reducir el contenido de cemento (usualmente por razones de economía) • como adición para mejorar las propiedades del concreto, tanto fresco como endurecido.

Debido a la fineza de la microsílice, al agregarla al concreto se precisan dosis elevadas de un plastificante o superplastificante para dispersarla. La dosificación de aditivos aumenta en aproximadamente un 20 % cuando se añade microsílice.

3.5.2 En el shotcrete se debe utilizar microsílice como adición en vez de como substituto del cemento, a fin de mejorar las propiedades del concreto y de la proyección.

3.5.1.1 Ventajas especiales del shotcrete con microsílice Es posible producir shotcrete de calidad normal (es decir, 20 a 30 MPa de resistencia en cubos) sin necesidad de utilizar microsílice. Sin embargo, la producción práctica y económica de materiales con resistencias mayores depende hasta cierto grado del uso de microsílice. Desde el punto de vista técnico, se recomienda utilizar 5 – 10 % de microsílice (del peso de cemento). El uso correcto de microsílice puede proporcionar las siguiente propiedades al shotcrete: • Mejor capacidad de bombeo: lubrica y previene la exudación y la segregación • Menor desgaste del equipo y de las mangueras de bombeo • Mayor cohesión del concreto fresco, y por tanto menos consumo del acelerante (con mejores resistencias finales a la compresión) • Mayor adherencia a varios substratos y entre capas de concreto • Resistencias mecánicas superiores • Resistencia superior a la reacción álcali-agregado 28

Agregados En lo que se refiere a todos los hormigones especiales, la calidad del agregado es un asunto primordial tanto para el concreto fresco como para el endurecido. Es importante que la distribución del tamaño de grano y otras características sean lo más uniforme posibles. Particularmente importantes son la cantidad y las características de los finos (es decir, el tamaño de grano y el análisis de tamaño de grano). No hablaremos aquí de selección del agregado dado que usualmente debe utilizarse el material disponible y adaptar la formulación al mismo; no obstante, para la proyección de mezclas húmedas deben observarse los siguientes criterios: • Diámetro máximo: 8 – 10 mm, debido a limitaciones del equipo de bombeo y también para evitar grandes pérdidas por rebote. Desde un punto de vista tecnológico se prefiere un valor superior de diámetro máximo. • La curva granulométrica del agregado es también muy importante, especialmente en su sección inferior. El contenido de material fino en el tamiz n.° 0,125 mm debe oscilar entre un límite inferior de 4 – 5 % y uno superior de 8 – 9 %. • Los materiales finos demasiado pequeños producen segregación, mala lubricación y riesgo de atascamiento. Sin embargo, en caso de usar concreto con fibra, el sobrante de material fino es importante tanto para el bombeo como para la compactación.

29

Tabla 1:

Un contenido elevado de material fino produce un concreto cohesivo. Dado que los márgenes de la cesta del tamiz son relativamente pequeños, frecuentemente conviene combinar dos o más fracciones, p. ej., 0 – 2, 2 – 4 y 4 – 8 mm, ajustando la proporción entre ellos, con objeto de elaborar una curva de granulometría que esté dentro de los límites de la curva ideal. La insuficiencia del material fino puede compensarse utilizando más cemento o microsílice; para compensar el exceso de dicho material, se aumenta la dosificación de aditivos reductores de agua.

0.5

1.0

2.0

4.0

8.0

16.0

32.0

64.0

0 10 20

Porcentaje retenido

Máx. %

0,125 0,25 0,50 1,0 2,0 4,0 8,0 16,0

4 11 22 37 55 73 90 100

12 26 50 72 90 100 100 100

Es importante efectuar una buena clasificación de los agregados, y ninguna fracción debe constituir más del 30 % del total. El contenido de material triturado y de forma irregular no debe exceder el 10 %. A menudo, la mejora de la curva granulométrica de una arena natural mediante el uso de material triturado supone aumentos en la demanda de agua y disminución de la facilidad de bombeo y de la compactación. Por tanto, antes de utilizar materiales triturados como agregados, deben hacerse pruebas comparativas para determinar si la adición de dichos materiales mejora los resultados.

Tamiz ISO 0.25

Mín. %

Durante el tamizado, almacenamiento y manejo de los agregados, deben eliminarse partículas de tamaño superior a 8 mm, ya que pueden bloquear la boquilla y dificultar la limpieza.

La curva de distribución del tamaño de grano para el agregado debe caer en la región sombreada de la fig. 5.

0.125

TAMIZ

30 40 50 60

3.5.3

70 80 90 100

0.149

0.297

0.595

1.19

2.38

4.76

9.51

19.0

38.1

76.1

Tamiz ASTM, tamaño en mm

Figura 5: Curvas de distribución recomendadas para los agregados de shotcrete En lo posible, la cantidad de partículas de 8 mm no debe exceder el 10 %; en caso contrario, las partículas rebotarán durante la proyección sobre superficies duras (al comenzar la aplicación), o penetrarán el concreto ya colocado produciendo cavidades difíciles de rellenar.

30

Aditivos: Plastificantes y superplastificantes Los aditivos tienen como finalidad lograr propiedades específicas en el concreto fresco y en el endurecido mediante el método de proyección por vía húmeda. El uso de aditivos no es una práctica nueva: los antiguos romanos utilizaban diferentes clases tales como sangre de cabra o grasa de cerdo para sus trabajos de mampostería, para mejorar las características de moldeo de los materiales. ¡El hecho de que sus construcciones siguen aún de pie, indica que esta gente tenía razón! Si bien es cierto que los aditivos de concreto son más antiguos que el cemento Portland, su desarrollo, investigación y utilización han realmente ocurrido es en los últimos 30 años, todo ello debido a las exigencias en cuanto a aumentar la producción y a obtener materiales de mayor calidad. Los reductores de agua tienen la función de mejorar la trabajabilidad del concreto y su capacidad de cohesión en el estado plástico; pueden provocar un aumento significativo del 31

asentamiento con la misma relación agua/cementante, o bien dicha relación puede reducirse para alcanzar el mismo asentamiento que se obtendría para una mezcla carente del reductor de agua. La disminución de la relación agua/cementante está asociada con un aumento en la resistencia; el aumento del asentamiento, con una mejor facilidad de bombeo. El método por vía húmeda tiene la ventaja de que la mezcla del concreto y el añadido del agua se llevan a cabo bajo condiciones controladas y reproducibles, tales como las de una planta de concreto. Asimismo, la relación agua/cementante – uno de los factores fundamentales de la tecnología del concreto – , se mantiene bajo control. Sin embargo, uno tiende a olvidar que los equipos requieren un concreto fresco con gran facilidad de bombeo. Más aún, el método requiere una mayor cantidad de aditivos acelerantes de fraguado, lo cual puede conducir a la pérdida de la resistencia final del concreto.

En los últimos años ha entrado al mercado una nueva generación de superplastificantes de alto rendimiento. GleniumTM es un hiperplastificante basado en un éter policarboxílico modificado que proporciona una excepcional reducción del agua y una mayor retención de la trabajabilidad sin retardar el desarrollo de la resistencia inicial.

Los ensayos fueron llevados a cabo con concreto de la misma trabajabilidad (asentamiento o mesa de asentamiento): sin aditivo

Hoy en día se utilizan con frecuencia combinaciones de lignosulfonato, naftaleno y melamina a fin de obtener el mejor concreto posible. Los naftalenos/melaminas (superplastificantes) son químicamente diferentes a los lignosulfonatos (plastificantes/reductores de agua); a los superplastificantes usualmente se les conoce como reductores de agua de alto rango porque pueden utilizarse en altas dosis sin los problemas de retardo de fraguado ni de inclusión excesiva de aire que a menudo se observan con la adición de dosis altas de reductores de agua convencionales. La melamina forma una película lubricante en las superficies de la partícula, el naftaleno carga eléctricamente las partículas de cemento de forma tal que se repelen entre sí, y el lignosulfonato disminuye la tensión superficial del agua. Cuando las partículas de cemento están bien dispersas, no sólo fluyen mejor sino que cubren mejor los agregados. El resultado es un concreto más resistente y trabajable. Los superplastificantes/plastificantes tienen un efecto excelente en la dispersión de «finos», y por tanto son aditivos ideales y necesarios para el shotcrete. El mayor asentamiento logrado por los superplastificantes convencionales depende de las condiciones de tiempo y temperatura. Sin embargo, la facilidad de bombeo puede mantenerse sólo por tiempo limitado (20 – 90 minutos) después de la mezcla, y una dosis excesiva de aditivos puede conducir a segregación y a una pérdida total de la cohesión. Normalmente la dosificación oscila entre 4 y 10 kg/m3 según los requisitos de calidad, relación agua/cementante, consistencia requerida, así como también el tipo de agregado y de cemento. 32

con LS

con BNS o MS

con GLENIUM

reducción de agua

150 l

138 l

123 l

99 l

reducción de la relación agua/cementante

0.50

0.46

0.41

0.33

reducción de porosidad capilar Ekap (vol.-%), 28 días

7.5

6.5

5.6

3.5

Figura 6: Los resultados de un ensayo de concreto de 28 días con varios plastificantes de alto rango muestran que GleniumTM produce la menor porosidad capilar en comparación con los superplastificantes tradicionales. 33

GleniumTM es una molécula compleja y flexible compuesta de grupos funcionales de cadenas de diferentes longitudes. La mezcla de agua con cemento inicia una reacción química (hidratación); el agua se absorbe en la superficie de las partículas de cemento, y éstas se disuelven rápidamente. Las moléculas de GleniumTM son atraídas a la superficie de las partículas de cemento durante la mezcla y aumentan la carga negativa en la superficie, provocando así la repulsión electrostática. Esto trae como resultado un gran mejoramiento de la dispersión de las partículas de cemento y consiguiente mejora de la trabajabilidad, a pesar del menor contenido de agua. Las moléculas de GleniumTM tienen cadenas laterales muy largas que también desarrollan impedimento estérico, mejorando adicionalmente la capacidad de las partículas de cemento de mantener una distancia de separación entre sí y aumentando aún más el efecto de dispersión. GleniumTM actúa en un mecanismo de dos pasos que prolonga el tiempo de trabajabilidad del concreto fresco. Como parte de sus mecanismos de reacción química, se incorpora una segunda molécula que reacciona después de la primera. El aumento de alcalinidad del concreto durante la mezcla y el vaciado activa la segunda molécula. Esta acción de retardo larga el tiempo de trabajabilidad sin los usuales efectos secundarios de retardo en los tiempos de fraguado finales y en las resistencias tempranas. El uso de GleniumTM tiene varias ventajas: • Altísima reducción del agua (>40 %) • Baja porosidad capilar • Gran extensión de la trabajabilidad, con la menor relación posible de agua/cementante • Alta cohesividad, facilidad de bombeo • Rápido desarrollo de la resistencia El policarboxilato GleniumTM tiene ya amplio uso en combinación con los acelerantes libres de álcalis. Este material representa el futuro de los aditivos del shotcrete.

3.5.4

Acelerantes de fraguado tradicionales

El método por vía húmeda requiere añadir aditivos acelerantes de fraguado en la boquilla, los cuales principalmente reducen el asentamiento (consistencia) en el momento de la proyección, pasando de una consistencia líquida a una pastosa mientras que el concreto 34

está aún en el aire, de manera que se adhiera a la superficie cuando aumente el espesor de la capa. Los acelerantes de fraguado posibilitan la proyección eficaz en superficies verticales y en clave. El efecto de fraguado permite aplicar el shotcrete como soporte inicial – una función importante en la técnica de excavación de túneles NATM (New Austrian Tunnelling Method). Generalmente, debido a las posibilidades de irrupción de agua (p. ej., desde la roca posterior), se exige una mayor proporción de aditivos para acelerar el fraguado del shotcrete. Los acelerantes son añadidos en forma líquida mediante una bomba dosificadora especial (bomba de pistón o de gusano). La dosificación del acelerante depende de la capacidad del operario, la superficie y la relación agua/cementante. Una relación agua/cementante elevada aumentará la necesidad de acelerantes a fin de reducir la consistencia. Ahora bien, toda moneda tiene dos caras: un efecto secundario de los acelerantes tradicionales (basados en aluminato o water glass) es que disminuyen la resistencia final a los 28 días al compararse con la del concreto sin acelerantes. Por tal motivo, es importante siempre mantener el consumo de acelerantes a un mínimo (menor consumo en las paredes que en la clave). La diferencia básica entre los acelerantes de aluminato y los de silicatos sódicos modificados/water glass, es que los de aluminato participan en el proceso de hidratación y contribuyen a aumentar las resistencias iniciales en las primeras 0,5 – 2 horas (1 – 2 MPa).

3.5.4.1 Comportamiento químico de los acelerantes de aluminato durante el proceso de hidratación El clínquer Portland pulverizado reacciona espontáneamente con agua para formar una masa endurecida que adquiere una alta resistencia a la compresión al cabo de unos cuantos minutos. Dada la rapidez de esta reacción, estos clinquers son utilizados únicamente en casos especiales, tales como materiales de adherencia para el concreto. Para facilitar la operación, es necesario agregar de 2 a 5 % de sulfato de calcio (CaSO4). El sulfato de calcio reacciona con C3A (aluminato tricálcico), una de las cuatro fases importantes del clínquer durante la formación de 35

etringita. La etringita rodea cada partícula de cemento como una capa densa que retarda (pero no impide) el acceso adicional de agua a la superficie de cemento. Debido a esta reacción retardada de la pasta de cemento, el concreto mantiene su trabajabilidad durante cierto tiempo. Una vez que todos los sulfatos se consumen y se unen a la etringita, los aluminatos sobrantes reaccionan nuevamente con etringita y eliminan los sulfatos, al mismo tiempo que forman un «monosulfato», el cual es más permeable a agua; esto permite nuevamente una reacción adicional más rápida del cemento. Al añadir acelerantes de fraguado basados en aluminato, se produce un aumento repentino del contenido de aluminatos requerido para formar monosulfatos. Esto permite una hidratación normal espontánea del cemento, y conduce a altas resistencias iniciales a la compresión. Las características normales de fraguado para los acelerantes de aluminato son: inicio del fraguado: < 60 segundos* final del fraguado: < 3,5 minutos* (* Ensayo con el equipo de aguja Vicat [manual].)

Los acelerantes de aluminato comienzan a desarrollar resistencia después de 5 – 10 min, y después de 20 – 30 min la resistencia ha alcanzado un valor suficientemente alto (>0,4 MPa) como para que la capa de shotcrete pueda soportar su propio peso. Por tanto, estos acelerantes permiten proyectar el concreto con capas más gruesas que los silicatos de sodio modificado o water glass. Los espesores típicos oscilan entre 20 – 50 cm (en clave). Normalmente se hace la proyección de una primera capa de 6 – 10 cm en toda el área a recubrir. Una vez finalizada esta operación, se habrá desarrollado suficiente resistencia como para hacer la proyección de una nueva capa de 10 cm. El proceso se repite hasta llegar al espesor deseado. Los acelerantes de aluminato son igualmente apropiados para situaciones caracterizadas por problemas de agua. En estos casos, el procedimiento normal de proyección es formar una capa muy delgada de shotcrete con una sobredosis de acelerante de aluminato (8 – 10 % del peso de cementante) y esperar 30 min hasta que dicha capa haya adquirido la resistencia suficiente como para soportar la presión de agua. Seguidamente se continúa la proyección hasta llegar al espesor deseado.

Minutos

Las desventajas de los acelerantes de fraguado basados en aluminatos son las siguientes: • Mayor disminución de la resistencia final que la obtenida con los silicatos sódicos modificados (>30 – 50 %) • No funcionan igual con todo tipo de cemento, y por tanto es necesario determinar su reactividad con el cemento a utilizarse antes de comenzar la proyección. • Tienen valores de pH elevados (>13), por lo que pueden causar daños en la piel, los ojos, etc.

Comienzo del fraguado

Final del fraguado

Figura 7: Comportamiento del fraguado de un acelerante líquido con base de aluminato de alta eficiencia

Es importante tomar medidas de precaución durante el manejo y uso de este tipo de acelerantes. El personal encargado del manejo y de la proyección del material debe siempre usar guantes, careta y lentes de protección; debe evitarse el contacto directo del material con la piel.

Los acelerantes de aluminato son utilizados preferiblemente en aplicaciones de rocas blandas con alta deformación, y en aquellas donde se requieren soportes de alta resistencia inicial y espesores grandes (>15 cm) en tiempos cortos después de la excavación. 36

37

Las dosificaciones típicas de acelerantes de fraguado con base de aluminatos oscilan entre 4 – 8 % del peso del material cementante. Existen dos clases de acelerantes de fraguado con base de aluminatos: • Aluminatos sódicos • Aluminatos potásicos Los acelerantes de aluminato potásico funcionan con una mayor variedad de cementos y normalmente ofrecen un fraguado más rápido y mayor resistencia inicial que los acelerantes de aluminato sódico.

Prueba de fraguado con acelerantes de aluminato 1) 30 – 32 g de agua 2) 100 g de cement 3) Mezclar durante 2 – 3 minutos hasta obtener una pasta de cemento homogénea. 4) Añadir 6 g del acelerante específico del proyecto. 5) Mezclar enérgicamente a mano durante un máximo de 15 segundos a fin de distribuir bien el acelerante en la pasta de cemento. Nota: Evitar mezclar por más de 15 segundos; de lo contrario se correrá el riesgo de deteriorar el proceso de fraguado. 6) Formar una masa con la pasta de cemento acelerada y colocarla en el equipo de ensayo Vicat. 7) Utilizar únicamente el equipo de aguja Vicat manual (no el automático). 8) Llevar a cabo el ensayo para determinar el inicio del fraguado y anotar los resultados. La aguja debe detenerse a 1 – 2 mm del fondo. 9) Llevar a cabo el ensayo para determinar el fraguado final y anotar los resultados. Es posible que la aguja no penetre la pasta de cemento.

Criterios de fraguado Inicio de fraguado 4000 m2/kg También depende de la mezcla de cenizas volantes, escoria y yeso.

3.5.4.2 Silicatos sódicos modificados/water glass Los silicatos sódicos modificados/water glass se caracterizan por un efecto momentáneo (23 MPa >27 MPa >36 MPa 45 MPa

Requisitos de la obra: 10 000 m3 de shotcrete a aplicarse en 9 semanas; espesor de capa: 200 – 300 mm. Resultados: se incrustaron cerchas metálicas en capas de una pasada de 50 mm de espesor; fraguado final: 4 minutos. Túnel La Palma de Santa Cruz, Palmas de Gran Canarias, España Cemento CEM II 42.5 A – P 450 kg/m3 Arena (0 – 6 mm) 1430 kg/m3 Agregado (6 – 12 mm) 260 kg/m3 ® Rheobuild 1000 EPS 7,6 kg/m3 Relación agua/cementante 0,40 Asentamiento 14 – 16 cm Espesor aplicado 20 – 30 cm Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 7–9% 63

Rebote

10 %

Resistencia a la compresión: 24 h 3 días (núcleos in situ) 28 días (núcleos in situ)

16 MPa 22 MPa >30 MPa

Túnel North Downs, enlace ferroviario de túnel de canal, Reino Unido CEM I 52.5 360 kg/m3 Cenizas volantes 90 kg/m3 Arena 1038 kg/m3 Agregados triturados 692 kg/m3 TM Glenium T801 (policarboxilato) 3 kg/m3 ® Estabilizador Delvo crete 4 kg/m3 (trabajabilidad 6 h) Relación agua/cementante 0,18 MPa >0,3 MPa >0,5 MPa 19,5 MPa 26 MPa >36 MPa >42 MPa

El Túnel North Downs es un túnel doble de perforación sencilla; sección transversal de excavación: 140 m2, longitud aproximada. 3,5 km. Características: vida útil de 120 años; capa primaria de shotcrete; capa secundaria de concreto vaciado in situ; estanco y pirorresistente; tanto el cliente como el contratista seguirán utilizando la metodología de shotcrete permanente. Túnel Cabo Norte, Noruega Cemento, CEM I 52.5R Microsílice Agregado (0 – 8 mm) Fibra metálica EE (25 mm) 64

520 kg/m3 25 kg/m3 1700 kg/m3 50 kg/m3

Plastificante (lignosulfonato) Superplastificante (melamina) Estabilizador Delvo®crete MEYCO® TCC735 Relación agua/cementante Asentamiento Espesor aplicado Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 Rebote Resistencia a la compresión: 1h 4h 24 h 28 días

2,5 kg/m3 4 – 5 kg/m3 2 kg/m3 5 kg/m3 0,45 20 – 21 cm 25 – 50 cm 8% 2 MPa >7 MPa >30 MPa >40 MPa

La mitad del túnel está en roca esquistosa deficiente, lo cual causa muchos desprendimientos. La técnica original consistió en un recubrimiento de concreto total in situ por ciclo (longitud de ciclo: 2 m), con espesor promedio de concreto mayor de 1 m. La clave del éxito de este proyecto fue la posibilidad de una proyección ininterrumpida del espesor necesario con alta capacidad. Utilizando el diseño de mezcla antedicho, se lanzó un espesor de capa promedio de 250 mm, a 36 – 42 m3 por ciclo; tiempo de colocación: 2 – 2,5 horas. Como consecuencia, se logró una velocidad por ciclo de 2 a 3 veces mayor de 30 – 45 m por semana y frente. Se logró una resistencia a los 28 días superior a la requerida de 30 MPa. Estación en el Teatro Nacional de Oslo, Noruega (Prueba. Contratista: Selmer ASA. Equipo: MEYCO® Roadrunner.) Cemento 52.5 500 kg/m3 Microsílice 25 kg/m3 Agregado (0 – 9 mm) 1530 kg/m3 ® Rheobuild 716 8,25 kg/m3 ® Estabilizador Delvo crete 2 kg/m3 Relación agua/cementante 0,42 Asentamiento ~20 cm Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 8% Resistencia a la compresión: 30 min 1h 65

>1,0 MPa >2,2 MPa

2h 4h 28 días

>4,5 MPa >9 MPa >50 MPa

Túnel Sveti Marko, Eslovenia Cemento, PC-30-45S Arena de río (0 – 1 mm) Arena triturada (0 – 4 mm) Grava (4 – 8 mm) GleniumTM T801 (policarboxilato) Estabilizador Delvo®crete Relación agua/cementante Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 Resistencia a la compresión: 24 h 28 días

450 kg/m3 260 kg/m3 780 kg/m3 690 kg/m3 0,42% 0,18% 0,48 8%

20 MPa 45 MPa

Roca totalmente degradada. Construcción con bóveda continua entubada a lo largo del túnel.

Túnel Bolu, Proyecto Autopista en Anatolia, Turquía Cemento CEM 42.5 500 kg/m3 Humo de sílice 25 kg/m3 Agregado (0 – 5 mm) 1186 kg/m3 Agregado (5 – 12 mm) 474 kg/m3 Fibra metálica 50 kg/m3 Rheobuild® 716 10 kg/m3 Relación agua/cementante 0,42 Adición en la boquilla: 35 kg/m3 MEYCO® SA160 Resistencia a la compresión: 4 h (Hilti) 8 h (Hilti) 12 h (Hilti) 24 h (núcleos in situ) 3 días (núcleos in situ) 7 días (núcleos in situ) 28 días (núcleos in situ)

66

5,2 MPa 12,2 MPa 13,9 MPa 15,5 MPa 31,8 MPa 42,5 MPa 55,8 MPa

Difíciles condiciones del terreno: metasedimentos arcillosos y de cenizas de estructura basta; elevadísimo comportamiento plástico del suelo (inesperado); deformaciones más allá de los límites; zonas geológicas sobreforzadas desde el punto de vista tectónico (lo cual requiere altas resistencias iniciales y finales). Proyecto de Cuele Vertical, Johannesburg, República Sudafricana Cemento CEM I 52.5 475 kg/m3 Cenizas volantes (Super Poz) 75 kg/m3 Humo de sílice 38 kg/m3 Arena Stella (arena de río, 0 – 2 mm) 160 kg/m3 Arena triturada 1080 kg/m3 Piedra (6, 7 mm) 262 kg/m3 Fibra monofilamento Fibrin 0,9 kg/m3 Fibra metálica inoxidable Dramix 40 kg/m3 Delvo®crete 4,0 kg/m3 MEYCO® TCC735 5,0 kg/m3 TM Glenium T801 (policarboxilato) 4,6 kg/m3 Relación agua/cementante 0,36 Adición en la boquilla: MEYCO® SA160 6–7% Resistencia a la compresión: 24 h 2 días 3 días 7 días 28 días 56 días

15 MPa 30 MPa 56 MPa 76 MPa 86 MPa 95 MPa

Cuele vertical (profundidad final: 3000 m, 9 m de diámetro) a través de un pilar preextraído y rellenado a 2335 m para acceder un depósito masivo a profundidades >2500 m. Requisitos especiales: buena retención del asentamiento para descarga desde el caldero; fraguado rápido para aplicar hasta 100 mm/pasada en condiciones sumamente húmedas; alta durabilidad en un área de mantenimiento difícil; alta ductilidad para evitar fisuración debida al movimiento del suelo; resistencia temprana para evitar estallidos por deformación. Instalación hidroeléctrica Sondu Miriu, Kenia Bamburi OPC Tipo 1 422 kg/m3 Arena de río 966 kg/m3 Agregado triturado (5 – 10 mm) 655 kg/m3 67

GleniumTM T803 (policarboxilato) Relación agua/cementante Asentamiento Contenido de aire Adición en la boquilla: MEYCO® SA160

7%

Resistencia a la compresión: 24 h 3 días 28 días

11,5 MPa 22 MPa 32 MPa

0,45% 1,9 MPa >5,6 MPa >26 MPa

400 kg/m3 1760 kg/m3 40 kg/m3 0,5% 1,5% 0,4% 0,46 >15 cm 7% 20 MPa >40 MPa

439 kg/m3 30 kg/m3 1670 kg/m3 44 kg/m3 2,7 kg/m3 5 kg/m3 0,42 20 – 22 cm

480 kg/m3 33 kg/m3 1530 kg/m3 44 kg/m3 1,8 kg/m3 5 kg/m3 0,38 16 – 17 cm 7,5 % 15 – 25 cm 5–6%

1 MPa 47 MPa

Túnel de carreteras submarino, caracterizado por zonas extremadamente difíciles con fuertes entradas de agua y rocas deficientes. Longitud del túnel: 7 km. Estación de la Planta Nuclear Hamaoka, Japón Cemento 380 kg/m3 Arena (0 – 4 mm) 1124 kg/m3 Agregado (4 – 10 mm) 726 kg/m3 NT 1000 (policarboxilato) 1,25% 75

Relación agua/cementante Asentamiento at batching plant Contenido de aire Adición en la boquilla: MEYCO® SA161

1 MPa >6,5 MPa >24 MPa >34 MPa

La construcción de un reactor nuclear adicional hizo necesaria la construcción de un tunel de cables (sección 14,6 m2, longitud 400 m). Se utilizó concreto lanzado en unas sola capa de 150 mm para soporte inicial. Estación de subterráneo Shirogane Dai en Tokio, Japón Cemento 450 kg/m3 Arena (0 – 4 mm) 1113 kg/m3 Agregado (4 – 8 mm) 500 kg/m3 Fibra metálica Bridgestone 30/60 40 kg/m3 NT 1000 (policarboxilato) 1,7% Estabilizador Delvo®crete 1% Relación agua/cementante 0,40 Adición en la boquilla: 8% MEYCO® SA161 Resistencia a la compresión: 3h 24 h 7 días 28 días

>3,6 MPa >13,9 MPa >32 MPa >42 MPa

Concreto lanzado para protección contra la corrosión y contrafuego de un revestimiento metálico en el area de la estación. El espesor de la capa varió de 80 – 400 mm, todo el concreto se lanzó en una sola pasada sobre la superficie de acero.

76

D) MEYCO® SA162 Túnel S. Giacomo en Bolzano, Italia Cemento II AL 42.5 Agregado (0 – 8 mm) Rheobuild® 5000 Relación agua/cementante Adición en la boquilla: MEYCO® SA162 Espesor aplicado Espesor de capa individual Rebote Inicio del fraguado

8% 40 – 80 cm 15 – 20 cm 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 % 0,25 MPa >0,8 MPa >14 MPa >28 MPa >38 MPa

El Kienberg es un túnel doble de dos carriles, de 1,5 km de largo, situado en la autopista Phyrn de la región norte de Austria y construido a lo largo de una zona de roca fracturada y diaclasada. El soporte de rocas típico utilizado para un avance de 1,3 m consiste en entibos, cerchas, doble malla electrosoldada, 20 cm de shotcrete y pernos de roca de 4 – 6 m completamente grauteados. Un requisito fundamental de este proyecto era disponer de un shotcrete de buen rendimiento, debido a las altas velocidades de excavación (6 avances diarios) y al mayor espesor de capa requerido en vista de los frecuentes desprendimientos. Inmediatamente después de la aplicación del shotcrete se procedía a realizar el bulonado y la perforación para la entibación. El desarrollo de la resistencia inicial debía satisfacer los requisitos de la norma austríaca J2. Túnel Strengen, Austria Cemento CEM II/A-S 42.5R Agregados: 0 – 4 mm triturados 4 – 8 mm triturados GleniumTM 51 (polycarboxilato) Relación agua/cementante Adición en la boquilla: MEYCO® SA170

5,5 %

Resistencia a la compresión: 6 min 1h 24 h 7 días 28 días

>0,3 MPa >0,9 MPa >15 MPa >36 MPa >48 MPa

420 kg/m3 1380 kg/m3 450 kg/m3 0,5 % 0,45

El Strengen, un túnel doble de dos carriles de 5,8 km, es un paso alterno situado en el trecho final de la conexión de la autopista oriente-occidente en Austria. Cada canal tiene una sección transversal 78

típica de 80 m2, la cual se excava en secuencia clave-hastial por perforación y voladura. La masa rocosa está compuesta principalmente por roca sumamente metamórfica, laminada y cortada (cuarzo filita). El soporte de roca típico para un avance de 1,5 m consiste en cerchas, doble malla electrosoldada, 20 cm de shotcrete y pernos de roca de 4 – 6 m completamente grauteados. El desarrollo de la resistencia inicial debía satisfacer los requisitos de la norma austríaca J2. El consumo general de acelerante podía mantenerse bastante bajo. Túnel Blisadona, Austria Cemento PZ 375 Agregado (0 – 2, 0 – 4, 4 – 11 mm) GleniumTM T801 (policarboxilato) Estabilizador Delvo®crete 10 Relación agua/cementante Adición en la boquilla: MEYCO® SA170

7,5 % (promedio)

Resistencia a la compresión: 6 min (Hilti) 10 min (Hilti) 30 min (Hilti) 1 h (Hilti) 3 h (Hilti) 6 h (Hilti) 12 h (Hilti) 24 h (Hilti) 7 días (núcleos in situ) 28 días (núcleos in situ)

>0,32 MPa >0,42 MPa >0,59 MPa >0,78 MPa >2,6 MPa >5 MPa >8 MPa >20 MPa 25 MPa 31 MPa

420 kg/m3 1750 kg/m3 0,6 – 0,7% 0,4% (trabajabilidad 7 h) 0,3 MPa >0,8 MPa >1 MPa >15 MPa >55 MPa

El túnel Girsberg Tunnel es parte de la Autopista Kreuzlingen – Konstanz. Las condiciones de la roca son muy difíciles, con arcillas de rápido deteriroro y gran ingreso de agua.

80

Capítulo 4 Avances en la tecnología de aditivos para el shotcrete

4.1

Sinopsis

Dada la escasez de tierra urbana y la prioridad que se le está dando al efecto que tienen los proyectos de infraestructura sobre el medio ambiente, cada vez se construyen más sistemas de servicios públicos y de transporte bajo tierra. Debido a ello se ha impulsado la utilización de shotcrete en todo el mundo. Antiguamente el uso del shotcrete involucraba tener que hacer concesiones entre varios factores, entre los que se contaban las resistencias iniciales y finales, flexibilidad y viabilidad económica. Sin embargo, el desarrollo de nuevas generaciones de aditivos ha llevado a mejoras fundamentales del material y a nuevos campos de aplicación del shotcrete. A continuación presentamos dos nuevas tecnologías desarrolladas por MBT: • Delvo®crete, un sistema de control de hidratación que aumenta la flexibilidad y la calidad en la utilización del shotcrete y que ha desarrollado aún más el método de vía húmeda, contribuyendo así a mejorar las condiciones de trabajo y a disminuir los costos relacionados con los factores de polvo y rebote. • Un nuevo sistema que permite un curado eficiente y confiable del shotcrete.

4.2

Delvo®crete

Tanto el abastecimiento como la utilización de mezclas de shotcrete para proyectos de infraestructura en entornos congestionados crea problemas para la empresa contratista y para la abastecedora del concreto ya mezclado.

81

Las mezclas de shotcrete, (por vía húmeda o por vía seca), tienen un tiempo útil de empleo de apenas 1,5 a 2 horas, e incluso menor a temperaturas mayores de 20°C. Al cabo de este tiempo, el material proyectado exhibirá menor resistencia y mayor rebote debido a la incipiente hidratación del cemento. Factores tales como las grandes distancias de transporte desde la planta hasta el sitio de la obra, los retrasos en los pasos de construcción así como los tiempos de parada debidos a desperfectos de las maquinarias, contribuyen a que una gran cantidad del shotcrete esté ya hidratado para el momento en que se va a utilizar. Además de ello, ciertos reglamentos ambientales imponen restricciones del horario de trabajo de las plantas de concreto situadas en áreas urbanas. Así, es posible que un contratista que requiera mezclas de shotcrete durante las 24 horas del día, reciba el material solamente durante la mitad de este tiempo. Todo esto acarrea costos adicionales innecesarios tanto para el contratista como para el cliente.

proyección – al igual que los acelerantes convencionales de aluminato o silicato –, para acelerar el fraguado y obtener las altas resistencias iniciales requeridas en las aplicaciones de soporte de rocas. El sistema Delvo®crete, introducido en el mercado europeo en 1990, prolonga el tiempo de utilización de las mezclas de shotcrete (por vía húmeda o seca) por períodos hasta de 72 horas. De esa manera se eliminan muchos de los problemas asociados con la producción y aplicación de mezclas de shotcrete que frecuentemente enfrentan contratistas, productores de concreto e ingenieros. El sistema Delvo®crete para el control de la hidratación brinda flexibilidad a la producción y a la proyección de mezclas de concreto en grandes proyectos subterráneos, y al mismo tiempo ofrece ahorros considerables a contratistas, propietarios y productores de concreto.

Mezcla seca estabilizada

Aire

MBT ha creado un sistema químico para controlar la hidratación del cemento en mezclas de shotcrete (tanto por vía húmeda como seca), que permite alargar substancialmente su tiempo de utilización.

4.2.1

Bomba de vía seca

Boquilla

Bomba dosificadora

Agua y «activador» líquido

Agua

Introducción Shotcrete activado

Activador

En 1987 MBT desarrolló un sistema líquido de dos componentes y sin cloruros para el control de la hidratación de residuos de concreto. Este sistema, combinado con el reciclaje del agua de lavado de la mezcladora de concreto, permitió a muchos productores de concreto eliminar los problemas asociados con los residuos de sus plantas de concreto. El sistema está formado por dos componentes: el primero es el estabilizador Delvo®, el cual es capaz de inhibir la hidratación de cementos Portland hasta por 72 horas. El segundo componente es el activador Delvo®, un acelerante de hidratación que se agrega al concreto estabilizado antes de colocarlo. En 1989 MBT adaptó el sistema de control de hidratación para uso en shotcrete. El estabilizador Delvo®crete es similar al utilizado para tratar el concreto devuelto, y se desarrollaron varios activadores Delvo®crete para iniciar la hidratación del cemento. Los activadores Delvo®crete son añadidos a la mezcla de shotcrete en la boquilla de 82

Figura 13: Control de hidratación en shotcrete fabricado por vía seca También garantiza que todo el shotcrete por la boquilla contenga un cemento «fresco» que haya sufrido poca o ninguna reacción de hidratación. Este sistema ha revolucionado el uso del shotcrete (en particular, el de vía húmeda), y actualmente se utiliza en una gran cantidad de proyectos importantes en Europa, América, el Medio Oriente y el Lejano Oriente.

83

mos resultados podrían obtenerse cuando se emplean sistemas robóticos. Mezcla húmeda estabilizada

Hasta ahora, el uso del shotcrete por vía húmeda ha significado tener que hacer concesiones entre varios factores tales como alto asentamiento, baja relación agua/cementante, largo tiempo de utilización, fraguado rápido y alta resistencia inicial, todo lo cual supone problemas para contratistas, productores de concreto y clientes porque crea una gran cantidad de material de desecho debido al rebote, al lavado de bombas y mangueras y al desecho de cantidades de shotcrete que han perdido su trabajabilidad (p. ej., porque están muy viejas). A continuación, es necesario sacar dichos residuos del sitio de excavación subterránea y desecharlos, creándose así costos adicionales innecesarios para el contratista, quien probablemente tiene un presupuesto calculado para cierta cantidad de rebote y sobreproyección, pero no para el transporte y la eliminación de residuos, ni tampoco por el residuo creado al eliminar cargas de shotcrete y lavar bombas y mangueras debido a las interrupciones por desperfectos de equipos o retrasos de la operación de proyección en el frente de excavación.

Aire Compresor

Bomba de vía húmeda Boquilla

Bomba dosificadora

«Activador» líquido

Activador

Shotcrete activado

Figura 14: Control de hidratación en shotcrete fabricado por vía húmeda

4.2.2

Shotcrete fabricado por vía húmeda El shotcrete fabricado por vía húmeda tiene una ventaja indiscutible sobre el de vía seca: es un concreto genuino, y como tal, la relación agua/cementante se controla en la planta de concreto y no depende del operario de la boquilla. Las mezclas fabricadas por vía húmeda tienen también un tiempo de utilización de 1,5 a 2 horas, lo cual significa que la mezcla de concreto debe bombearse y lanzarse rápidamente después del mezclado. Esto no es siempre posible en grandes proyectos de construcción subterránea. Dadas las grandes distancias de transporte desde la planta de concreto hasta el sitio de proyección y aplicación, así como también los retrasos y las interrupciones debidas a desperfectos de las maquinarias en el frente de excavación, gran parte del shotcrete utilizado ha pasado su tiempo límite de uso. En trabajos de soporte de rocas que utilicen shotcrete fabricado por vía húmeda, es posible que un operario de boquilla experimentado, que realice la proyección de un concreto fresco bien diseñado y acelerado, logre un rebote aproximado del 10 al 15 por ciento. Los mis-

84

4.2.3

Dosificación y transporte del shotcrete fabricado por vía húmeda La dosificación de mezclas de shotcrete no debería representar problema alguno para un abastecedor de concreto experimentado. Sin embargo, la situación de la planta de concreto con respecto al sitio de la obra es un factor crítico. Muchas áreas urbanas prohíben el establecimiento de plantas de concreto. Dado que la mayoría de los grandes proyectos de infraestructura subterránea (tales como túneles y sistemas de metro) están en áreas urbanas densamente pobladas, con frecuencia hay que transportar las mezclas de concreto por largas distancias hasta el sitio de la obra. Por tal motivo, muchos de estos materiales ya han pasado su tiempo de utilización antes de que lleguen y se descarguen en la obra. A esto se suma el tiempo que toma el lanzar el shotcrete de un camión lleno del material, así como retrasos de otra índole. Con todo esto, es razonable suponer que mucho del shotcrete aplicado en proyectos de infraestructura urbana subterránea sea de calidad cuestionable.

85

Proceso acelerado con el acelerante MEYCO®

Manufactura

+

Entrega

+

Consumo

4.2.4

1–2 horas Hidratación controlada por el estabilizador Delvo®crete

Manufactura

+

Entrega

La desventaja del «trixer» es que tiene una capacidad suficiente para dosificar sólo unos 6 m3 de shotcrete. Eso implica que, en una obra en que se proyecten 10 m3/h con un robot de proyección, se requerirá un mínimo de dos «trixers» (o incluso más en caso de que se esté trabajando en dos frentes al mismo tiempo).

El activador Delvo®crete S reactiva y acelera el proceso

Control de la hidratación del cemento Las características de fraguado, endurecimiento y resistencia del cemento Portland dependen de la reacción del cemento con agua. El producto de esta reacción es un material rígido conocido como gel de hidrato de silicato de calcio (CSH, por sus siglas en inglés).

+ Almacenamiento intermedio + Consumo

3–72 horas

Figura 15: Delvo®crete brinda una flexibilidad total para la aplicación del shotcrete. Incluso si se han obtenido los permisos y el espacio para erigir una planta dosificadora de concreto para un proyecto subterráneo urbano, muchas veces se imponen reglamentos ambientales locales que especifican horarios diurnos para el funcionamiento de tales plantas. En casos así, es imposible conseguir abastecimientos nocturnos del shotcrete, lo cual es un problema para un proyecto que funcione 24 horas diarias, 7 días de la semana. Para resolver algunos de los problemas logísticos asociados con el transporte de shotcrete a proyectos subterráneos, y garantizar el abastecimiento de mezclas frescas de concreto en el frente de la roca, algunos fabricantes de equipos han creado mezcladores transportables o «trixers». Los «trixers» son miniplantas de concreto montadas en la parte posterior de un vehículo transportador o camión, que contienen compartimentos separados para almacenar cemento, agregados y agua. El procedimiento consiste en cargar el mixer con materiales en la planta dosificadora o en una localidad de almacenaje y seguidamente transportarlo hacia la excavación subterránea. Al llegar, los materiales son dosificados y mezclados para producir una mezcla fresca de shotcrete (de vía seca o húmeda). 86

Figura 16: A medida que el shotcrete fragua, se produce la floculación de los hidratos formados por la hidratación del cemento. Esta reacción, conocida como hidratación, provoca una rápida liberación de iones de calcio en la solución, y forma una capa de gel de CSH alrededor de las partículas de cemento. A medida que el concreto se fragua, se produce la floculación de los hidratos formados por la hidratación del cemento; mediante este proceso, el concreto plástico y trabajable se convierte en un material rígido (véase la fig. 16). El estabilizador Delvo®crete puede controlar la hidratación de mezclas de cemento por períodos hasta de 3 días. Este producto, una vez bien dispersado en una mezcla de concreto, controla la rapidez de hidratación del cemento formando un complejo de iones cálcicos en la superficie de las partículas de cemento (véase la fig. 17). 87

Hay dos manera de lograr las características normales de fraguado y endurecimiento del concreto: una es permitir que desaparezca el efecto del Delvo®crete, y la otra es agregar el activador Delvo®crete al concreto para eliminar la barrera protectora que rodea las partículas de cemento (véase la fig. 18).

Figura 17: El estabilizador Delvo®crete, una vez dispersado y muy bien mezclado en una mezcla de concreto fresco, interrumpe la hidratación del cemento formando una barrera protectora alrededor de las partículas de cemento. Delvo®crete tiene un doble papel: detiene la hidratación del cemento formando una barrera protectora alrededor de partículas puzolánicas, y actúa como un dispersante, previniendo así la floculación y endurecimiento de los hidratos. El efecto de este producto es tal, que incluso permite estabilizar residuos de concreto y mantenerlos en estado plástico durante unos cuantos minutos, varias horas, un día o incluso un par de días. Delvo®crete está compuesto de ácidos carboxílicos y sales y ácidos orgánicos con fósforo. Tiene la capacidad de detener la formación de compuestos minerales de cemento, y reduce la rapidez de solución del mineral de sulfato de calcio. Su acción difiere de la de los aditivos de retardo convencionales: a dosificaciones normales, la acción de éstos es compleja y puede acelerar un componente mineral del cemento al mismo tiempo que retarda otros, y a dosificaciones superiores pueden incluso provocar excesiva rigidez del concreto, fraguado instantáneo y resistencias bajas. En resumen, el uso de aditivos de retardo a dosificaciones lo suficientemente altas como para alcanzar el mismo grado de retardo del estabilizador Delvo®crete, puede ocasionar efectos perjudiciales tanto al concreto en estado plástico como al concreto en estado endurecido. El estabilizador Delvo®crete puede utilizarse para controlar la hidratación del cemento por períodos hasta de 72 horas. Afecta principalmente la hidratación del C3S, pero puede también retardar la reacción inicial del C3A con agua y sulfato si se añade con el agua de mezcla. 88

Figura 18: El activador Delvo®crete, una vez dispersado y muy bien mezclado en una mezcla de shotcrete estabilizado, destruye la barrera protectora alrededor de las partículas de cemento «estabilizadas». Una vez destruida esta barrera protectora, el concreto tratado reacciona de forma normal (véase la fig. 19). Para satisfacer los requisitos varios en cuanto a fraguado, colocación en alto espesor y resistencias iniciales del shotcrete para el

Figura 19: Una vez que el activador Delvo®crete elimina la barrera protectora que rodea las partículas de cemento, comienza la hidratación, fraguado y desarrollo de resistencias normales del cemento. 89

soporte de rocas, se han creado varias clases de activadores Delvo®crete para cuando se utiliza el sistema de control de hidratación en esta aplicación. Estos activadores eliminan la barrera protectora creada por el estabilizador Delvo®crete, y a continuación reaccionan con el cemento para producir el fraguado rápido y las resistencias iniciales que normalmente se obtienen con el shotcrete acelerado.

80 Zeit (Sekunden) Tiempo (s)

4.2.5

Shotcrete fabricado por vía seca Trockenspritzbeton (estabilizado und y activado) (stabilisiert aktiviert)

Propiedades

Naßspritzbeto Shotcrete fabricado por vía húmeda (stabilisiert aktiviert) (estabilizado und y activado)

Zeit (Sekunden) Tiempo (s)

80

Inicio del fraguado Erstarrungsbeginn Final del fraguado Erstarrungsende

60

40

20

0 Referenz Referencia

1% Stabilisator 2%2Stabilisator 1 % de % de

estabilizador

90

estabilizador

20

1% 1 Stabilisator 2% 2Stabilisator % de % de

estabilizador

estabilizador

Figura 20: Tiempos de fraguado de shotcrete con hidratación controlada Los activadores Delvo®crete tienen doble función: • neutralizan el efecto del estabilizador Delvo®crete en el cemento, y • aceleran la hidratación del cemento para producir las características de fraguado rápido y altas resistencias iniciales requeridas en aplicaciones de soporte de rocas.

4.2.7

En la fig. 20 se muestran los tiempos de fraguado de shotcrete estabilizado y activado (fabricado por vía húmeda y seca).

40

Referenz Referencia

En aplicaciones de shotcrete, las mezclas de hidratación controlada han exhibido valores de resistencia a la compresión, a la tracción y a la flexión superiores a los de las mezclas de referencia. Kinney observó que el estabilizador Delvo®crete parece retardar la formación de núcleos de CSH cuando se agrega con el agua de mezcla, y retarda la formación tanto del CSH como del CH cuando se agrega durante o después del período de inducción. Se sugiere que esta capacidad de afectar la nucleación y el crecimiento cristalino lleva a la formación de CH más fino y de hidratos de silicato más densos, lo cual mejora las propiedades físicas de la pasta.

Tiempos de fraguado

60

0

La calidad del shotcrete y del concreto con hidratación controlada tratados con el sistema Delvo®crete es igual o superior a la de los hormigones de referencia (de fabricación convencional).

4.2.6

Erstarrungsbeginn Inicio del fraguado Erstarrungsende Final del fraguado

Resistencias Frecuentemente, la resistencia de rotura y la capacidad de carga del material para el soporte de rocas son propiedades menos importantes que las características de fraguado rápido y alta resistencia inicial del material. Para lograr estas últimas características, se agregan acelerantes al shotcrete en la boquilla de proyección; dichos acelerantes están hechos principalmente de sales de aluminato o silicatos y provocan pérdidas de resistencias a los 28 días (más pronunciadas con los aluminatos). En realidad, más que pérdida de resistencia, el problema es «un aumento de resistencia reducido después de 3 días», cuando se hace la comparación con la misma mezcla sin acelerantes. Con el sistema de control de la hidratación, el shotcrete activado y estabilizado puede también exhibir ganancias inferiores o mínimas de resistencia entre los días 3 y 28, al igual que ocurre con el shotcrete con acelerantes convencionales. Sin embargo, hay varias clases de activadores Delvo®crete para el soporte de rocas. La selec91

Resistencia a la compresión (28 días): Mínima requerida Promedio lograda Rebote medido (proyección con robot)

ción y la dosificación de un tipo particular dependerán de la calidad del cemento, así como también de los requisitos de resistencia inicial y tiempo de fraguado. Es interesante notar que la mezcla con hidratación controlada requiere una dosificación menor del activador Delvo®crete que la del acelerante que requeriría una mezcla normal. La razón probable de ello es que, dado que el cemento en la mezcla estabilizada está bien dispersado y aún «fresco» (es decir, no hidratado), el activador Delvo®crete puede actuar con más eficiencia que el acelerante utilizado en la mezcla normal.

4.2.8

Originalmente el contratista comenzaba a utilizar el shotcrete estabilizado en horas de la noche debido a que las leyes ambientales locales restringían la operación de plantas de concreto en el sitio de la obra a horarios de 07:00 a 22:00. Esto significaba que no se podía obtener mezclas de concreto después de las 22:00. Para solventar este problema, antes de las 22:00 era necesario cargar varios camiones con la mezcla estabilizada, que se transportaban dentro del túnel y se proyectaban durante la noche según los requerimientos específicos. Sin embargo, dados los satisfactorios resultados de reducción del rebote y mejoramiento de la calidad y la eficiencia, a la larga los contratistas optaron por utilizar mezclas de concreto estabilizado también durante las operaciones diurnas de proyección (siendo el costo del material para el control de la hidratación mucho menor que el costo del rebote). Esto condujo a ahorros importantes en el proyecto.

Rebote El rebote de las mezclas de shotcrete representa un gran costo agregado que debería mantenerse al mínimo. En pruebas de campo efectuadas en Europa y Asia, se ha determinado que las mezclas de shotcrete con hidratación controlada exhiben un rebote menor que las otras mezclas. Probablemente esto se deba a que en las primeras no se ha producido una hidratación previa del cemento, y por tanto continuamente se están lanzando mezclas con cemento «fresco» sin importar el tiempo transcurrido entre el mezclado y la proyección. Las mediciones realizadas en el proyecto del Túnel Flurlinger de Suiza demostraron que el rebote de la mezcla estabilizada (con hidratación controlada) fue hasta un 10 % menor que el de la mezcla normal. Condiciones del shotcrete empleado en el Túnel Flurlinger de Suiza Diseño de mezcla (por m3): Cemento 425 kg Agregado (0–16 mm) 1730 kg Superplastificante 0,8 % Estabilizador Delvo®crete 0,6 % Activador Delvo®crete S51 5,0 % Relación agua/cementante 0,45 Trabajabilidad (mesa de asentamiento, DIN): Dosificación 600 mm Después de 4 h 580 mm Después de 9 h 560 mm

92

25 MPa 33,5 MPa 8 a 10 % (promedio)

4.2.9

Economía Calcular aproximadamente el costo de los varios componentes de un proyecto de infraestructura subterránea es una tarea difícil y compleja. Muchos contratistas subestiman estos costos. A continuación se expone un resumen de los costos involucrados en un proyecto: • Costo de la mezcla de shotcrete por m3 • Costo del shotcrete aplicado en el sitio, incluyendo exceso de rebote y proyección (este costo puede ser 100 % mayor que el costo por m3) • Costo de recoger, cargar, transportar el rebote de un proyecto, y desecharlo en una localidad apropiada y aprobada por las leyes del medio ambiente • Costo del shotcrete devuelto, que fue rechazado por haber pasado su tiempo de utilización • Costo de los residuos de shotcrete que tuvieron que eliminarse de bombas y mangueras durante la interrupción de las operaciones por desperfectos de las maquinarias o retrasos de otras índoles, y al final de los turnos

93

• Costo de demoler, eliminar y reemplazar las áreas de shotcrete defectuosas debido a que el material aplicado ya había pasado su tiempo de utilización • Costo y mantenimiento de las bombas y equipos para el shotcrete • Costo y mantenimiento (por m3) de una unidad trixer (si la hubiere) • Costo de configurar una planta dosificadora en el sitio de faena, necesaria cuando la planta de concreto ya mezclado está demasiado lejos; costo de la operación continua de la planta • Costo del tiempo de parada de equipos y personal durante los retrasos o interrupciones de la entrega de shotcrete Muchos de estos costos son difíciles de cuantificar y de calcular durante las primeras etapas de un proyecto, y por tanto por lo general se pasan por alto. Sin embargo, puede observarse que con sólo reducir el rebote, los ahorros para el contratista van mucho más allá que simplemente tener que comprar menos materiales. Al utilizar el sistema Delvo®crete para el control de la hidratación en proyectos de shotcrete vía húmeda de gran volumen, se puede economizar por varias razones: • Reducción del rebote • Menos rebote que hay que transportar y desechar • Ya no hay que rechazar entregas de shotcrete por haber pasado su tiempo de utilización • No hay que limpiar bombas ni mangueras de desechos del shotcrete cuando hay interrupciones, ni tampoco al final de un turno de proyección • El shotcrete tiene menos defectos debido a que todo el shotcrete aplicado contiene cemento que no se ha prehidratado y cuya vida útil de empleo sigue vigente • No hay necesidad de utilizar unidades trixer • Es posible que ya no haya necesidad de erigir plantas de concreto en el sitio de la obra (esto depende de otros requisitos del proyecto) • Menos costos de horas extra y de tiempos de parada (si se garantizan entregas adecuadas de shotcrete en el frente de excavación) Como se ve, el costo de utilizar el sistema Delvo®crete para el control de la hidratación resulta ser sumamente bajo. La dosificación del estabilizador Delvo®crete oscila entre 0,4 y 2,0 % (en peso). Esto estabilizará el cemento por un tiempos que varían entre 3 a 4 horas y 3 días. Por supuesto, la dosificación del estabilizador Delvo®crete 94

dependerá de los requisitos del contratista, pero usualmente se utiliza 0,6 % por peso de cemento. La dosificación de los activadores Delvo®crete es normalmente igual a (o ligeramente menor que) la dosificación del acelerante que se requeriría para la misma mezcla de shotcrete que no contuviera el estabilizador Delvo®crete. En la tabla 3 se muestra la comparación de costos de shotcrete de vía húmeda convencional y con hidratación controlada utilizado para soporte de rocas, con agregado grueso (0 – 16 mm). Si la mezcla convencional tuviera un rebote del 20 %, entonces el costo de colocación del shotcrete sería de US$ 121,10/0,8 = US$ 151,38/m3. Para que el costo de colocación del shotcrete con hidratación controlada sea equivalente, el rebote de la mezcla debería ser (1 – 133,86/151,38) x 100 = 11 %. Tal como se demostró en el proyecto del Túnel Flurlinger, es posible lograr reducciones de rebote de esta magnitud (40 – 50 %). Tabla 3: Comparación de costos entre una mezcla de shotcrete convencional y una mezcla con hidratación controlada Material

Costo unitario (US$)

Mezcla convencional

Mezcla con hidratación controlada

Cemento

$ 80/ton

420 kg

$ 33,60

420 kg

$ 33,60

Microsílice

$ 450/ton

40 kg

$ 18,00

40 kg

$ 18,00

Agregados (0 – 10)

$ 15/ton

1680 kg

$ 25,20

1680 kg

$ 25,20

–

210 kg

Agua

–

210 kg

–

Plastificante

$ 0,70/kg

3 kg

$ 2,10

3 kg

$ 2,10

Superplastificante

$ 1,10/kg

4 kg

$ 4,40

3 kg

$ 3,30

Estabilizador Delvo®crete (0,6%)

$ 3,50/kg

2.76 kg

$ 9,66

–

Asentamiento

–

Acelerante convencional (5%)

$ 1,80/kg

21 kg

Activador Delvo®crete (5%)

$ 2,00/kg

–

–

200 mm más

TOTAL

$ 37,80

–

US$ 121,10

95

200 mm más –

–

21 kg

$ 42,00

US$ 133,86

En el caso del shotcrete con refuerzo de fibra metálica (cuyo costo podría ser superior a US$ 200 por m3), se requerirá una reducción incluso menor del rebote para compensar el costo del sistema de control de la hidratación. Aparte de los ahorros conseguidos por la reducción del rebote, el contratista también ahorrará dinero porque se eliminará el problema del shotcrete devuelto y de desecho, y se reducirá el tiempo de parada de las bombas de shotcrete y del personal. Además, se garantizará que cada metro cúbico de shotcrete aplicado tenga una calidad uniforme.

4.2.10

Resumen • Las mezclas de shotcrete con hidratación controlada son un recurso económico y eficiente para utilizarse en aplicaciones de soporte de rocas, para grandes proyectos de infraestructura subterránea. • Al interrumpirse la hidratación del cemento (y puzolanas) en una mezcla de shotcrete y volver a reactivarse y acelerarse en la boquilla de proyección, se puede garantizar una calidad uniforme del shotcrete. • Los ahorros logrados por la reducción del rebote pueden compensar los costos adicionales del sistema de hidratación controlada. • Los contratistas pueden lograr otros ahorros derivados de la reducción del rebote y eliminación del shotcrete de desecho. • Las mezclas de shotcrete con hidratación controlada permiten una mayor flexibilidad en la programación de las operaciones de proyección en proyectos de construcción subterránea.

4.2.11

a) Shotcrete fabricado por vía húmeda con Delvo®crete Metro de Atenas La parte de construcción civil del proyecto comprende 20 estaciones y 18 km de túneles. A pesar de que los documentos iniciales especificaban el método de vía seca, fue posible convencer a los contratistas de los beneficios del método de vía húmeda, por lo que ahora éste es el utilizado. Desde una planta de mezcla central el concreto se distribuye mediante mezcladoras a un número de frentes. Los sitios individuales tienen un almacenamiento de reserva de concreto con una capacidad máxima de 12 m3. En este espacio de almacenamiento funciona también un agitador que puede funcionar cuando sea necesario. El concreto se transfiere desde el agitador a la bomba de concreto, bajando por una tubería hacia el pozo (normalmente con una profundidad de 20 m) hacia el túnel, terminando en la bomba de proyección MEYCO® Suprema. La distancia hasta la boquilla de proyección es normalmente de 100 a 150 m. La secuencia normal de trabajo involucra la aplicación de 3 a 4 m3 de shotcrete, seguido por una interrupción de 3 a 4 horas hasta la siguiente aplicación. Durante este tiempo no se utiliza ninguna parte del sistema, desde el almacenamiento de reserva hasta la boquilla de shotcrete. Una vez a la semana se lleva a cabo una limpieza total del sistema. Este sistema es posible únicamente gracias al estabilizador Delvo®crete. Al añadirse un máximo de 2 % basado en el peso del cemento, es posible impedir la hidratación hasta por 72 horas. Cuando se utiliza el Delvo®crete para el shotcrete, es necesario aplicar un activador en la boquilla para iniciar el proceso de hidratación.

Casos de estudio La flexibilidad y ventajas resultantes del uso del shotcrete reforzado con fibras metálicas dependen del uso correcto de aditivos y del equipo apropiado. A continuación se exponen ejemplos que demuestran algunos de los aspectos más importantes de las aplicaciones prácticas de shotcrete.

96

Datos claves de la operación con shotcrete: • La mezcla contiene 400 kg de cemento, agregados de 0 – 8 mm, superplastificante Rheobuild® 716 (1,2 %), estabilizador Delvo®crete (1%), relación agua/cementante 30 – 50 % (de 0,7 – 1,2 a >2 MPa) • Todas las probetas de shotcrete tratado con MEYCO® TCC735 muestran una resistencia de adherencia >2 MPa. Se encontraron fallas únicamente en el concreto y no en el área de adherencia • Mayor densidad (>15 %), en comparación con las aplicaciones de shotcrete tratado con agentes de curado externos • Mayor resistencia (28 días), en comparación con las aplicaciones de shotcrete curado al aire o tratado con agentes de curado externos (>10%) • Ausencia de fisuras

104

Ventajas del curado interno del concreto con MEYCO® TCC735

4.3.5

Una solución más segura y económica • MEYCO® TCC735 ofrece ahorros generales de la operación de proyección, ya que elimina la necesidad de operaciones adicionales para la aplicación de componentes de curado y preparación del substrato; además, solamente la reducción del rebote general y el de las fibras compensa con creces el costo adicional del material. • MEYCO® TCC735 no sólo garantiza un mejor curado, sino que ofrece un avanzado procedimiento de aplicación de agentes de curado en forma de un aditivo de concreto muy fácil de añadir.

105

Material Costos de aplicación Horas-hombre Maquinaria Costos de retiro Horas-hombre Maquinaria Total de costos (por m3)

Curado húmedo

Curado externo

–

CHF

14,00

CHF

CHF CHF

1,00 18,00

– –

CHF CHF

25,20 280,00

– – CHF 305,20

Resistencia de adherencia [MPa]

Tabla 4: Comparación de costos por m3 del curador interno de concreto, curado externo y curado húmedo de uno de los mayores proyectos llevados a cabo con shotcrete: > 200 000 m3 de shotcrete de alto requerimiento aplicado en un período de 2 años y medio Curador interno

CHF 10,80 CHF 80,00 CHF 123,80

15,00

– – CHF 15,00

Curado ex terno

No curado

Figura 22: Adherencia de testigos de sondeo de shotcrete en substratos de shotcrete (MPa) (ref.: resultados de pruebas de proyección, Instituto LPM)

Tabla 5: Diseño de mezcla por m3 Resultados de las pruebas de proyección

Absorción de agua [g/cm2]

4.3.6

No curado Curado externo 7 días

24 horas

1 hora

Curado externo

Curador interno

450 kg 22,5 kg 0,45 1700 kg 7,125 kg – – – – 8 % (por peso) – 23 cm

450 kg 22,5 kg 0,45 1700 kg 7,125 kg 0,5 kg/m2 – – – 8 % (por peso) – 23 cm

450 kg 22,5 kg 0,45 1700 kg – – 9,5 kg 5 kg 1 kg – 5 % (por peso) 16 cm

10 min

Figura 21: Absorción de agua desde un testigo de sondeo (g/cm2) (ref.: M. Testor, tesis de posgrado en la Universidad de Innsbruck, 1997)

106

Cemento 42.5 II A-L Microsílice Agua/cementante Arena 0 – 4 mm Rheobuild® 561 Masterkure® 112 Rheobuild® 3520 MEYCO® TCC735 Rheobuild® 700 MEYCO® SA430 MEYCO® TCC765 Asentamiento

Referencia (sin curado)

En estas pruebas se fijaron varios parámetros para así poder evaluar las verdaderas diferencias de las tres mezclas y sistemas.

107

Tabla 6: Comportamiento mecánico de las tres mezclas Referencia (sin curado)

Curado externo

Curador interno

Capítulo 5 Refuerzo de fibras

Resistencia a la flexión de probetas de concreto (10 x 10 x 40 cm), UNI 5133, MPa: 7 días 3,8 – 5,9–6,1 6,0 28 días 5,5–4,5 4,5–4,5 6,4–6,8 5 4,5 6,6 Prueba de despegue Rilem/CEB/FIP RC6, MPa: 7 días – – 28 días

1,5

Adherencia en concreto (*), MPa: 7 días 0,92 (P) 28 días 1,02 (I) Fisuras en las probetas: 1 día Fisuras 7 días Fisuras 14 días Roturas 28 días

Roturas

2,0–1,8 1,9

2,1–1,9 2,0 2,4–2,2 2,3

0,9 (P) 1,5 (I)

1,5 (P) 2,8 (P)

Sin fisuras Sin fisuras Fisuras superficiales Fisuras

Sin fisuras Sin fisuras Sin fisuras

El concreto reforzado con fibras es un material novedoso que está siendo desarrollado de forma acelerada gracias al mejoramiento de las nuevas fibras, tecnología y técnicas de aplicación del concreto.

Sin fisuras

Modulo estático de elasticidad, UNI 6556, MPa: 7 días 17 150 – 28días 21 650 –

19 100 22 400

Figura 23: Fibras metálicas para refuerzo del shotcrete utilizado para soporte de rocas

Modulo dinámico de elasticidad, MPa: 7 días 28 500 28 días 36 600

39 400 39 600

El uso del shotcrete reforzado con fibras ha avanzado significativamente en los últimos años, contando ahora con la aprobación de ingenieros, especificadores, propietarios y contratistas del mundo entero para aplicaciones de soporte de roca.

28 000 37 300

(*): Los valores son el promedio de dos pruebas. P: Las roturas se han producido en la aplicación, es decir, en el producto. I: Las roturas se han producido en la interfaz entre la aplicación y la losa de concreto.

5.1 4.4

Conclusión

Los productos Delvo®crete, los acelerantes libres de álcalis MEYCO® SA160/SA161/SA162/SA170 y el sistema de curado interno del concreto son las nuevas generaciones de aditivos avanzados para el shotcrete, que han fijado nuevas pautas en el mundo del shotcrete. Estos productos y sistemas mejoran la calidad y aumentan la producción, al mismo tiempo que disminuyen los costos por metro cúbico de shotcrete, favoreciendo así su uso como material de construcción. 108

¿Por qué es necesario reforzar el concreto?

El concreto es un material frágil. Generalmente el concreto y el shotcrete se agrietan por razones estructurales, principalmente por la poca resistencia a tracción del material. El agrietamiento se produce como resultado de una combinación de los esfuerzos de contracción y las restricciones. Para evitar este problema, es necesario reforzarlo con mallas electrosoldadas y varillas de acero, o con fibras.

109

Las fibras metálicas tienen ventajas obvias sobre la malla electrosoldada, siendo la más importante el hecho de que son pequeñas y que pueden distribuirse uniformemente en toda la capa de concreto. Tal mejoramiento de la distribución de las fisuras y de la tensión imparte viscosidad al concreto.

5.2

5.3

Clases de fibras

5.3.1

Fibras de vidrio Las fibras de vidrio no sirven como un material permanente porque al cabo de cierto tiempo se fragilizan y son destruidas por la parte básica de la matriz de concreto. Por tanto, no deben utilizarse en ningún tipo de concreto, shotcrete o morteros con base de cemento.

Comportamiento de las fibras metálicas en el shotcrete

Las propiedades mecánicas del shotcrete están principalmente determinadas por la relación agua/cementante, el contenido de microsílice, la dosis de acelerantes de shotcrete y las condiciones de curado. La función principal de las fibras metálicas en el shotcrete es aumentar la ductilidad del material. Si bien es posible obtener una elevada resistencia a la flexión sin necesidad de fibras, la ductilidad está directamente relacionada con el tipo y la cantidad de las fibras metálicas. Se prefiere utilizar fibras largas (>25 mm) a dosis altas (40 – 75 kg/m3). Como efecto secundario, las fibras metálicas mejoran la resistencia final a la flexión del shotcrete. Los resultados de pruebas a gran escala han demostrado que después del endurecimiento, la resistencia a la flexión del shotcrete básico se reduce a la mitad debido a la contracción y a la aparición de microfisuras, mientras que el shotcrete reforzado con fibras metálicas mantiene su resistencia a la flexión. Los beneficios adicionales proporcionados por las fibras metálicas al shotcrete son: • mayor resistencia contra impactos • mayor resistencia a la abrasión y a la erosión • mayor estanqueidad y resistencia a la congelación debido a la conversión de fisuras de contracción en microfisuras • mayor capacidad de adherencia, en comparación con el shotcrete básico o reforzado con mallas electrosoldadas Las fibras metálicas no deben nunca utilizarse en el shotcrete por vía seca debido al elevado rebote de las mismas (>50 %).

5.3.2

Fibras sintéticas Las fibras de plástico cortas son resistentes y duraderas (embebidas en el concreto), pero sus propiedades mecánicas son similares a las del concreto y no mejoran las propiedades ni imparten viscosidad al concreto; por tal motivo no sirven para aplicaciones de soporte de roca, pero sí son apropiadas en los casos en que únicamente se requiere refuerzo para contrarrestar la contracción (en particular, contracción plástica). Tienen un efecto muy eficiente en la distribución de microfisuras durante la fase plástica del endurecimiento, y también reducen el rebote en la proyección por vía húmeda. Adicionalmente, las fibras sintéticas tienen un efecto positivo en la resistencia al fuego del shotcrete. Recientemente, la compañía Synthetic Industries de los Estados Unidos desarrolló un nuevo tipo de fibra sintética que se asemeja más a la forma de la fibra metálica. Estas fibras, llamadas HPP 152, están hechas de materiales de alta calidad y se producen en longitudes de 30 y 50 mm. Pruebas realizadas en Europa y Australia demuestran que este tipo de fibra puede lograr una tenacidad apropiada en dosis moderadas (10 – 13 kg/m3), y que alcanza valores aproximados de 700 – 900 julios en el ensayo de placa de la EFNARC. Este resultado concuerda bastante con el logrado con 30 – 40 kg/m3 de fibras metálicas de alta calidad. Este nuevo tipo de fibra sintética es de interés para la industria y puede ser una adición importante para aquellos casos en que no sea posible añadir fibras metálicas al shotcrete por diversas razones (p. ej., corrección de superficie, fibras en la superficie, y cuando se requiere un refuerzo eficiente para mejorar la ductilidad del shotcrete). Tabla 7: Resultados de un ensayo de comparación hecho con fibras metálicas Harex (varias dosificaciones) y HPP 30 y 50 mm (varias dosificaciones) en Moab, República Sudafricana. De este ensayo se

110

111

Uno de los problemas principales que queda por resolver con las nuevas fibras HPP 152 es la pérdida elevada de las fibras. Es necesario modificar el diseño de la mezcla a fin de producir un asentamiento mayor, y se debe emplear una nueva técnica de proyección (patrón diferente, distancia más corta al substrato y menos aire). Sería interesante combinar una dosis baja de las nuevas fibras HPP 152 con fibras metálicas para obtener una ductilidad excelente, menos fisuras y rebotes y ahorro de costos debido al menor contenido de fibra por m3.

concluyó que 7,5 kg/m3 de HPP 50 proporcionan una mayor energgía de absorción que 40 kg/m3 de las fibras metálicas ensayadas. Tipo de fibra y contenido

Espesor del panel (mm)

Absorción de energía Resultados individuales

20 HX, 20 kg

A: 107 B: 114 C: 113

194 206 232

211

A: 117 B: 113 C: 132

519 285 341

382

40 HX, 40 kg

A: 99 B: 108

288 370

5 HPP, 5 kg (30 mm)

A: 110 B: 106 C: 108

224 243 142

203

7.5 HPP, 7,5 kg (30 mm)

A: 92 B: 108 C: 102

136 212 102

150

10 HPP, 10 kg (30 mm)

A: 112 B: 108 C: 114

371 393 230

331

5 HPP, 5 kg (50 mm)

A: 106 B: 100 C: 99

249 146 176

190

7.5 HPP, 7,5 kg (50 mm)

A: 104 B: 100 C: 113

539 35* 394

467

10 HPP, 10 kg (50 mm)

A: 107 B: 125 C: 121

527 865 558

650

28 HX & 5 HPP 20 kg HX + 5 kg HPP 50 mm

A: 111 B: 124 C: 132

413 401 497

437

30 HX, 30 kg

Promedio

Fibras de carbono Desde el punto de vista técnico las fibras de carbono tienen propiedades mecánicas ideales para el soporte de rocas, pero en la práctica no se utilizan debido a que son sumamente costosas.

329

5.3.4

Fibras metálicas Éstas son las fibras más utilizadas para el shotcrete. Existen varias clases y calidades disponibles en el mercado, pero sólo algunas reúnen los requisitos establecidos para el shotcrete reforzado con fibra. Los parámetros críticos de las fibras metálicas son: • Geometría • Longitud • Relación largo/espesor (L/D) • Calidad del acero En la práctica se busca una fibra delgada y larga con acero de alta calidad (igual o mayor que el refuerzo ordinario). La mayoría de las fibras metálicas disponibles en el mercado son de calidad insuficiente. Dramix 30/50 y 40/50, Novotex 0730 (0,7 x 30 mm) y Harex CF 30/0,5 son las fibras típicas que satisfacen los requisitos para el shotcrete reforzado con fibras metálicas.

5.4

*: Panel fisurado – los resultados no se incluyeron en los cálculos promedio. HX: Fibra metálica Harex, acero de calidad 1100 MPa

112

5.3.3

Ventajas técnicas de las fibras metálicas

El soporte de rocas está acompañado de riesgos constantes de cargas inesperadas y deformación. El mejor margen de seguridad posible se logra con una capa de shotcrete que tenga la más alta energía de rotura (ductilidad) posible. 113

Carga P

La energía de rotura de las fibras metálicas es también mayor que la de las mallas electrosoldadas, lo cual ha sido comprobado en los estudios a gran escala realizados al principio de los años 80 por la Asociación de Investigación Técnica Noruega (NTNF), una entidad independiente (véase la fig. 25).

Con refuerzo de fibra metálica

La prueba simula un bloque cayendo sobre una capa de shotcrete de 10 cm. a) Shotcrete con 1 % de fibras metálicas b) Shotcrete con mallas electrosoldadas en el centro de la sección

Sin refuerzo

Deformación

Figura 24: Las dos curvas muestran la deformación bajo la variación de la carga P aplicada a capas de shotcrete con o sin refuerzos de fibras metálicas de última generación. El área bajo la curva representa la energía de rotura. Si bien la adición de fibras metálicas ordinarias duplica la energía de rotura del shotcrete, con la adición de las nuevas fibras metálicas se alcanza un valor de energía de rotura que es de 50 a 200 veces mayor (véase la fig. 24). En términos prácticos, esto significa que con estas nuevas fibras, una capa de shotcrete puede agrietarse y deformarse y aún conservar una gran capacidad de carga, de manera que en circunstancias normales hay tiempo suficiente para poder observar las fisuras o deformaciones y poder tomar las medidas pertinentes.

La aplicación de ambas clases de capas de shotcrete reforzado se hizo con un espesor de 10 cm sobre tres bloques de piedra granítica (véase la fig. 26). Al cabo de 28 días se aplicaron varias cargas (P) sobre el bloque del medio y se midió la deformación resultante. La prueba demuestra que la energía de rotura del shotcrete reforzado con fibra metálica es mucho mayor que la del shotcrete reforzado con mallas tradicionales.

Bloque de piedra granítica

Bloque de piedra granítica

Fibras metálicas

Falla a rotura

Falla de la malla

Rotura de la adherencia

Figura 26 Carga P (kN)

Deformación Malla electrosoldada

Figura 25: Comparación de la energía de rotura de fibras metálicas y mallas electrosoldadas 114

En teoría, el shotcrete reforzado con mallas electrosoldadas puede exhibir resultados similares si la capa tiene un espesor mayor de 15 cm y el acero es de buena calidad. Sin embargo, la malla de alambre común se fabrica de alambres estirados en frío. Esta malla tiende a romperse bajo deformaciones muy pequeñas, y por tanto es peligroso utilizarla ya que las aplicaciones de soporte de roca involucran deformaciones. Asimismo, los refuerzos de alambre electrosoldado crean un problema de calidad para el shotcrete. El efecto de sombra puede producir vacíos detrás de las varillas, lo cual es un problema serio que a la larga conduce a corrosión del refuerzo y fisuración del concreto. El peligro que supone la calidad dudosa de la malla electrosoldada y el efecto de sombra puede evitarse fácilmente utilizando el refuerzo 115

de fibra metálica, un material que se combina muy bien con el shotcrete fabricado por vía húmeda y a un costo bajo. Esta característica es idónea para las aplicaciones de soporte de rocas, en las cuales se espera que siempre haya deformación.

5.5

Ventajas económicas de las fibras metálicas

Al sustituir la malla electrosoldada con fibras metálicas se puede evitar una operación peligrosa y difícil. Esto facilita que el concreto reforzado con fibra compita con la malla tradicional. Las fibras metálicas producen ahorros de tiempo y dinero: • Ahorros en costos directos: El costo directo de las fibras metálicas equivale a un 50 a 60 % del costo directo de la malla electrosoldada (mano de obra más material). • Ahorros en costos indirectos: Se pueden evitar los costos indirectos involucrados en aplicar el shotcrete en dos capas (requerido cuando se utilizan mallas electrosoldadas). También se evitan los retrasos debidos a otras operaciones de construcción de túneles. • Ahorros en el shotcrete utilizado: Las fibras metálicas permiten aplicar el espesor requerido de shotcrete en toda la superficie, independientemente de la irregularidad del substrato. Se evita también el problema de mayor rebote causado por las mallas electrosoldadas, así como también el efecto de «sombras» detrás de las mismas.

5.6

• Es necesario aumentar el asentamiento a un mínimo de 10 – 14 cm. Esto significa que el shotcrete reforzado con fibra requiere una dosis mayor de superplastificantes. • Por razones de anclaje, el tamaño de las fibras debe ser al menos el doble del tamaño del agregado máximo. • La fibra debe tener un largo no superior a 50 a 60 % del diámetro de la manguera de bombeo. Esto significa que para la proyección manual, la máxima longitud de fibra normal es 25 mm; para robots con mangueras de 65 mm, es posible hacer la proyección con una longitud de fibra hasta de 40 mm. • Las fibras metálicas pueden añadirse antes, después o durante la dosificación de los materiales del concreto. Si se produce aglomeración de fibras (bolas), puede eliminarse modificando la secuencia de dosificación.

Diseño de la mezcla para el shotcrete reforzado con fibra metálica

El diseño de la mezcla con fibras metálicas requiere experiencia teórica y práctica del personal. • El shotcrete reforzado con fibra requiere el uso de microsílice y aditivos para poder contrarrestar los efectos negativos que tienen las fibras sobre el bombeo y la proyección. Además, es importante que la adherencia entre el acero y la matriz de concreto sea óptima, lo cual se logra con la adición de microsílice con un agregado de tamaño máximo de 8 mm. • Se requiere un contenido mayor de material fino (mín. 400 kg). 116

Figura 27: Shotcrete moderno: proyección robótica con aditivos y fibras metálicas de alta tecnología

117

construcción antes de la colocación de un revestimiento secundario. Sin embargo, con el uso del shotcrete para revestimientos permanentes de doble capa (véase el cap. 9), frecuentemente se debe considerar la durabilidad del concreto para una vida prevista de 100 o más años.

Capítulo 6 Durabilidad del shotcrete

Tal como se observa en la fig. 28, la durabilidad de una estructura de shotcrete se establece por la combinación de muchos parámetros posibles. A diferencia de las construcciones tradicionales con concreto colado, en las construcciones con shotcrete no basta con utilizar un diseño correcto de mezcla y refuerzos. La razón principal de ello es que el material se aplica por proyección, y por tanto la calidad depende en alto grado de la destreza humana y del funcionamiento del equipo de proyección. En este capítulo se discuten brevemente los principales aspectos de durabilidad mostrados en la fig. 28.

Como resultado de la creciente aplicación del shotcrete como material de construcción permanente, han aumentado las exigencias impuestas a su durabilidad. El uso de acelerantes tradicionales en dosis elevadas provoca daños serios del shotcrete, incluso poco tiempo después de su aplicación. La durabilidad del revestimiento de un túnel debe ser tal que el revestimiento permanezca seguro y en servicio durante la vida útil prevista sin necesidad de mantenimientos costosos. Para lograr tal durabilidad, el diseñador debe evaluar la exposición ambiental de la estructura tanto durante la construcción como durante la operación, dado que la degradación estructural ocurre normalmente como resultado de cambios ambientales imprevistos.

• Revisión del diseño por parte de terceros independientes • Revisión del diseño durante la construcción • Control de calidad • Evaluación de riesgos • Competencia

Especificaciones modernas pertinentes

Control del sitio: monitorización y soluciones

Condiciones de terreno y agua alrededor de la estructura

Diseños construibles

Factores humanos

Diseño «construible»

Condiciones ambientales y de cargas futuras

6.1

EQUIPO DE DISEÑO Estructura de shotcrete duradero

Personal aplicador debidamente capacitado y adiestrado

¿Proyección por vía húmeda o por vía seca?

Método de curado Diseño de mezcla correcto y selección del acelerante apropiado

Aplicación manual o por robot

Factores estructurales

• Monitorización, revisión y puesta en práctica de medidas durante la construcción • Control de calidad • Evaluación de riesgos • Competencia • Supervisión • Capacitación

EQUIPO DE CONSTRUCCIÓN

Comunicación

• Secuencias de construcción • Refuerzos permanentes del terreno • Detalles de uniones e intercapas • Exposición física y química • Propósito y vida prevista del túnel • Parámetros de diseño y efectos del tiempo • Refuerzos o fibras • Métodos de impermeabilización • Geometría del perfil • Propiedades del material

• • • •

Diseño de la mezcla Tipo de acelerante Métodos de aplicación Selección y funcionamiento de los equipos • Métodos de curado • Mejoramientos del terreno

Figura 28: Parámetros de durabilidad de una estructura de shotcrete

Figura 29: Factores humanos y estructurales

Con esto en mente, el término «durabilidad» puede relacionarse con estructuras diseñadas para resistir cargas durante un periodo de

En referencia a las estructuras de túneles de concreto ya existentes, los principales problemas de durabilidad no están directamente rela-

118

119

cionados con el concreto mismo sino más bien con la corrosión de los refuerzos metálicos que no tienen suficiente protección contra la humedad o las entradas de agua. Los túneles de shotcrete permanente tienen otros problemas de durabilidad, particularmente en términos de proporcionar las propiedades requeridas del material tales como compactación, y con los problemas de estabilidad asociados a la cantidad de aditivos utilizados por los modernos métodos de aplicación de shotcrete por vía húmeda. Tal como se resume en la fig. 29, para el diseño y la construcción de revestimientos de túneles de shotcrete duraderos se requiere emplear una metodología de trabajo «holística». Fundamentalmente, el método de revestimiento de shotcrete depende en alto grado de las destrezas de los operarios durante la construcción, y por tanto el diseño debe reflejar tal dependencia considerando la «constructibilidad» de estas estructuras con shotcrete.

6.2

Especificaciones y guías

En la industria del shotcrete es desafortunadamente muy común copiar y utilizar los mismos documentos de especificaciones y guías año tras año, sin que se haga una investigación a fondo sobre los nuevos avances en el campo del shotcrete. El reciente aumento en el uso de shotcrete por vía húmeda se ha convertido en una oportunidad para reexaminar las especificaciones, y actualmente se están publicando nuevos documentos que reflejan los últimos avances en la tecnología del shotcrete (tal como la Especificación Europea del Shotcrete [1996]) emitida por la EFNARC, véase el cap. 10.5).

6.3

Aptitud del equipo de construcción

Los integrantes del equipo de construcción deben estar enpleno conocimiento de los elementos de diseño necesarios para lograr la seguridad y durabilidad de la estructura del túnel. A fin de garantizar la calidad del revestimiento de concreto, los sistemas de revisión de calidad deben ser adecuados para controlar la producción. Es crítico mantener una comunicación constante entre los equipos de diseño y de construcción, desde la etapa de prediseño hasta la finalización del proyecto, para así asegurarse de poner en marcha los procesos antes mencionados (para mayor información, véase el cap. 10.5).

120

6.4

Diseño de la mezcla de shotcrete

El factor determinante de la durabilidad de una estructura de concreto es la permeabilidad: mientras más baja sea ésta, más se reducirá el acceso de sustancias potencialmente nocivas y por ende se inhibirán reacciones químicas en las que podría participar el concreto con consecuentes cambios químicos. Para lograr disminuir la permeabilidad en las aplicaciones de shotcrete se debe procurar tener: • Materiales de granulometría apropiada para el sistema de aplicación de shotcrete en cuanto a facilidad de bombeo, trabajabilidad, reducción del rebote y buena compactación (véase la fig. 5 del cap. 3.5.2). Se deben efectuar ensayos de todos los agregados para determinar el riesgo de reacciones álcali-sílice. • Un contenido de cementante adecuado, por lo general entre 400 y 500 kg. El contenido de cemento debe ser al menos 350 kg. • Relaciones agua/cementante predefinidas y bajas (inferiores a 0,45); esto se logra mediante agentes reductores de agua y superplastificantes. Los superplastificantes modernos, conocidos como «hiperplastificantes» pueden proporcionar relaciones agua/cementante entre 0,35 y 0,4, al mismo tiempo que mantienen un asentamiento de 20 cm. • Materiales puzolánicos tales como microsílice (humos de sílice) y cenizas volantes. La microsílice tiene un efecto definido de relleno en cuanto a que distribuye los productos de hidratación de una manera más homogénea en el espacio disponible. Como resultado, se logra un concreto con menor permeabilidad, mayor resistencia a los sulfatos y mayor durabilidad frente a los ciclos de congelación-deshielo. • Control de microfisuración a 0,2 mm utilizando refuerzos metálicos en vez de mallas, lo cual promueve una recuperación autógena. • Dosis bajas controladas de acelerantes libres de álcali, a fin de minimizar la pérdida de la resistencia final en comparación con la mezcla base, así como también lograr una reducción significativa de lixiviados, menos rebote y polvo, y por sobretodo, condiciones de trabajo mejores y más seguras. • Aditivos de control de la hidratación para evitar la hidratación prematura de la mezcla antes de que se aplique al substrato. La prehidratación puede causar efectos sumamente perjudiciales a las propiedades físicas del shotcrete endurecido, tales como reducción en la resistencia y la densidad y aumento de la permeabilidad. • Métodos de curado aplicables (véase el cap. 4.3). 121

Coeficiente aparente de difusión del cloruro (m2/s)

Coeficiente de difusión de oxígeno (m2/s)

Coeficiente de permeabilidad al agua (m/s)

• El uso de 6 % de microsílice en cemento OPC proporciona una resistencia a los sulfatos comparable a la del cemento resistente a los sulfatos (SR). Esto es importante, dado que se prefiere utilizar cemento OPC en shotcrete (en vez del SR) debido a su mayor rapidez de fraguado y desarrollo de la resistencia inicial. • Mientras menor sea la relación agua-cemento, mejor es el comportamiento de resistencia a los sulfatos. Se recomienda emplear una relación agua/cementante inferior a 0,45 y preferiblemente, con la ayuda de nuevos hiperplastificantes, mantener una relación agua/cementante menor de 0,4.

Permeabilidad alta Permeabilidad promedio Permeabilidad baja

Datos del shotcrete con acelerantes libres de álcalis y con silicato sódico modificado

Tabla 8: Resistencia del shotcrete a los sulfatos (SINTEF, 1999) Tipo de cemento

Fuente de las clases de permeabilidad: Concrete Society Technical Report No. 31 (1988)

Reactividad álcali-sílice de los agregados

Figura 30: Prueba y resultados de permeabilidad para shotcrete con acelerantes de sodio modificado y libres de álcali de MBT En el informe técnico n.° 31 de la Sociedad de Concreto (Reino Unido), «Pruebas de permeabilidad de concreto en la obra» (1988), se define una gama de pruebas de permeabilidad en la obra. Se incluyen tres clases de concreto que exhiben una permeabilidad alta, promedio y baja, basado en los resultados típicos de ensayo. En la fig. 30 se identifican las pruebas y los límites de permeabilidad para el shotcrete, así como también los límites de los resultados de ensayo para muestras que utilizan la tecnología de MBT. Estos resultados demuestran claramente la durabilidad del shotcrete como material de revestimiento.

6.5

Nuevos aditivos acelerantes libres de álcali

SINTEF (Noruega) ha llevado a cabo un grupo de pruebas de resistencia a sulfatos, cuyos resultados se muestran en la tabla 8. Una resistencia a sulfatos excelente se denota como «alta». A partir de estos resultados, se puede concluir lo siguiente: • Para producir un shotcrete resistente a los sulfatos, se pueden utilizar acelerantes libres de álcalis en dosificaciones hasta del 10 %. • En cementos OPC, los acelerantes libres de álcalis exhiben mejores resultados que los acelerantes de silicato sódico modificado. 122

OPC

OPC

OPC

OPC

SR

reactivos

reactivos

no reactivos

no reactivos

ligeramente reactivos

Microsílice

0%

6%

0%

6%

0% y 6%

Relación agua/cementante

0,45

0,47

0,52

0,48

0,45 – 0,48

Silicato sódico mod. 5%

moderada

alta

ninguna

alta

alta

Silicato sódico mod. 10%

ninguna

alta

ninguna

alta

alta

Libre de álcalis 5%

alta

alta

ninguna

alta

alta

Libre de álcalis 10%

moderada

alta

ninguna

alta

alta

Acelerante y dosificación:

Ninguna resistencia: expansión mayor de 0,1% Resistencia moderada: expansión entre 0,05% y 0,1% Resistencia alta: expansión menor de 0,05%

6.6

Estabilidad química de los nuevos acelerantes

Recientes microanálisis demostraron que las muestras de shotcrete con aditivos acelerantes contenían fases minerales similares a aquellas presentes en un concreto de control. Además, tanto las muestras de control como las que contenían aditivos exhibieron patrones de fisuración similares. A través de los estudios se concluyó que al no haber diferencia químicas ni estructurales entre los dos tipos de concreto, no se afecta la durabilidad a largo plazo del shotcrete que contiene aditivos acelerantes. Mediante los ensayos de permeabilidad, resistencia a la compresión y resistencia a la flexión, no se ha probado que la microfisuración a edad temprana cause efectos perjudiciales a la estabilidad o a la durabilidad del concreto. 123

6.7

Durabilidad del refuerzo de fibra metálica

alcanzar la durabilidad es utilizar diseños «construibles», manteniendo los detalles tan simples como sea posible.

En ambientes corrosivos, el shotcrete reforzado con fibra metálica ofrece mucha más durabilidad que el concreto reforzado con malla electrosoldada, puesto que no favorece las celdas de corrosión galvánica tan comunes que provocan daños considerables en los revestimientos de túneles con refuerzos convencionales. Se elimina el riesgo de fisuración del concreto debido a la corrosión porque no hay suficiente aumento volumétrico causado por corrosión de la fibra. Además, las fibras (que son discontinuas) están protegidas por una matriz de álcali. Por tanto, no se presenta un mecanismo de propagación de la actividad corrosiva, tal como lo demuestran numerosos estudios de investigación de estructuras expuestas a ambientes sumamente salinos y a ambientes de congelación-deshielo. Así se concluye que es innecesario utilizar fibras metálicas inoxidables para lograr durabilidad.

• La técnica de aplicación del shotcrete por vía húmeda, llevada a cabo con equipos y aditivos modernos de alto desempeño que no dañan el medio ambiente, ofrece a la industria de construcción de túneles una herramienta económica para construir revestimientos de capa individual permanentes y duraderos. Hoy en día el proceso de construcción está sumamente automatizado, lo cual ha reducido significativamente el grado de influencia humana que antiguamente pesaba en la decisión de no considerar el shotcrete como soporte permanente. • Las especificaciones modernas del shotcrete incluyen los factores para lograr un diseño de mezcla moderno y de calidad controlada, suministrando una guía para facilitar la durabilidad y la ejecución eficaz de los procesos de proyección. Por ejemplo, la nueva Especificación Europea del Shotcrete (1996) emitida por EFNARC, describe sistemas completos para lograr un shotcrete permanente.

Ahora bien, las fibras metálicas al carbono expuestas en la superficie de concreto tienden a dejar manchas de óxido. Por razones cosméticas y de seguridad, y para controlar la fisuración térmica, los revestimientos permanentes de shotcrete reforzado con fibras metálicas, deben protegerse con una capa de mortero delgada que contenga las nuevas fibras sintéticas HPP 152.

6.8

• Con la tendencia creciente a utilizar revestimientos duraderos de shotcrete, recientemente se han introducido al mercado nuevas tecnologías para promover y mantener su uso. Estos sistemas mejoran la estanqueidad y proporcionan una excelente resistencia al fuego.

Requisitos de aplicación

Frecuentemente, los beneficios de las mezclas diseñadas para alcanzar los requisitos de durabilidad de la estructura quedan anulados por deficiencias en los procesos de aplicación (véase el cap. 10).

6.9

• A mitad de la década de 1990 comenzó el crecimiento acelerado del uso de shotcrete duradero para túneles y otras estructuras de ingeniería civil. Dicha tendencia seguirá en aumento a medida que los equipos de diseño y los de construcción se familiaricen más con la tecnología moderna del shotcrete y con el concreto duradero que puede producirse.

Conclusión

• El desarrollo del diseño de la mezcla de concreto es apenas uno de los varios pasos necesarios para lograr un revestimiento de shotcrete duradero. La producción de un shotcrete duradero depende significativamente de la destreza humana durante la proyección, y del uso de equipos adecuados para el propósito. • La función del diseñador es fundamental. Es necesario que el mismo entienda los procesos de aplicación del shotcrete y no sobreespecifique las propiedades del material. La clave para

124

6.10

Ejemplo de C-45

Cemento Microsílice Agregado GleniumTM T803 Fibras poliméricas Relación agua/cementante

450 kg 20 kg 0–8 mm 2,5 – 3 kg 7,5 – 10 kg 0,40

125

Variación en la mesa de asentamiento Adición en la boquilla: MEYCO® SA161

>55 cm

Capítulo 7

4–8%

Equipos

La mezcla se estabiliza durante más de 3 – 4 horas debido al uso del GleniumTM T803. El mundo de la construcción subterránea se caracteriza por situaciones de alto riesgo y fechas de entrega apremiantes. Por eso, y a pesar de las numerosas aplicaciones técnicas disponibles, el contratista de hoy necesita de un socio competente y confiable. Para lograr la calidad y la eficiencia requeridas, es fundamental disponer de equipos, productos y servicios fiables y de alta calidad.

La resistencia final del concreto debe ser mayor que la resistencia especificada. Siempre que los materiales, el diseño de mezcla y la ejecución de la proyección estén correctos, debe obtenerse una resistencia final superior a la especificación.

6.11

Efectos de utilizar diferentes diseños de mezclas

Al igual que ha pasado con la tecnología de materiales, ha habido también un desarrollo acelerado en el sector de equipos, por lo cual hoy en día existen maquinarias adaptables a las siempre cambiantes condiciones de la industria de la construcción. Existe una amplia gama de sistemas aplicables a todas las obras de shotcrete, desde la construcción de grandes túneles que requieren la proyección de grandes cantidades de concreto, hasta pequeños trabajos de reparación. La tendencia general apunta hacia sistemas integrados y automatizados que garanticen volúmenes de producción más altos, uniformes y de calidad controlable, y mejores condiciones laborales.

Es sumamente importante obtener consistencias blandas (>25 cm). Las dosis elevadas de acelerantes producen una gran reducción de la resistencia final y riesgo subsiguiente de segregación y taponamiento. Las dosis bajas de cemento (10 MPa – después de 28 días (28 días ± 4 h) : >42,5 MPa y 350 m2/kg y < 450 m2/kg. Valores de resistencia a compresión medidos según BS EN196: Parte 1: – después de 2 días : >20 MPa – después de 28 días (28 días ± 4 h) : >52,5 MPa y