SHOTCRETE

CONCRETO LANZADO

FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

CONCRETO LANZADO SHOTCRETE DOCENTE: ING. CARLOS VEGA

ALUMNO: ESAUD ABRIL FLORES

BARRANCO, NOVIEMBRE 2009

TECNOLOGIA DE MATERIALES

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INDICE GENERAL CAPITULO 1: 1.1 Introducción.

APLICACIONES Y TIPOS DE CONCRETO LANZADO 5

1.2 Definición.

5

1.3 Evolución del concreto Lanzado

6

1.4 Aplicaciones del concreto Lanzado

7

1.5 Requerimientos del Concreto Lanzado. (Calidad – Desempeño)

8

1.6 Requerimientos del Concreto Lanzado. (Ecología - Economía)

11

1.7 Métodos de aplicación del Concreto Lanzado.

12

1.7.1 Método por Vía Seca.

12

1.7.2 Diseño de Mezcla.

14

1.7.3 Ventajas y Desventajas.

15

1.7.4 Método por Vía Húmeda.

15

1.7.4.1 Uso del cemento

17

1.7.4.2 Uso del Agregado

18

1.7.5 Diseño de Mezcla

19

1.7.6 Ventajas y Desventajas

20

1.7.7 Shocrete Reforzado con Fibra

20

1.7.8 Consideraciones de la Fibra

21

1.7.9 Características Geométricas de la Fibra

22

1.7.10 Características del Material

22

1.7.11 Materiales Usados para la Elaboración

23

1.7.12 Aplicaciones en el sostenimiento

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CAPITULO 2:

ENSAYOS DEL CONCRETO LANZADO

2. Introducción

27

2.1 Requisitos de la norma.

27

2.1.1 Ensayos de Paneles Circulares ASTM C 1550

27

2.1.2 Ensayos de Vigas Prismáticas ASTM C 1399

28

CAPITULO 3:

ENSAYOS DE PANELES CIRCULARES Y VIGAS PRISMATICAS.

3.1 Ensayos en Paneles Circulares

29

3.1.2 Parámetros Registrados

33

3.2 Ensayos de Vigas Prismáticas

33

3.2.1 Elaboración de Testigos y descripción del ensayo

33

3.2.2 Parámetros Registrados

36

CAPITULO 4:

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 37

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RESUMEN El concreto lanzado o “shotcrete”, inicialmente desarrollado para la actividad minera pero actualmente en expansión hacia el ámbito urbano en la forma de sostenimiento de taludes e incluso en la construcción de estructuras vaciadas contra terreno, es definido por los códigos ACI como “concreto o mortero reumáticamente proyectado a alta velocidad sobre una superficie que contiene fibras discontinuas y separadas. Este material tiene como propiedad característica la capacidad para deformación si presentar colapso, a diferencia de los concretos convencionales. Esta propiedad es evaluada a través de las normas ASTM C 1399 (vigas prismáticas) y ASTM C 1550 (paneles circulares). Se estudiara también los tipos y usos

de concreto lanzado en el ámbito de la

ingeniería civil y minera, los ensayos realizados de acuerdo alas normas ASTM, Y los diferentes equipos empleados para la aplicación del Shotcrete.

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CAPITULO 1 APLICACIONES Y TIPOS DE CONCRETO LANZADO 1.1 INTRODUCCION Hoy en día se viene utilizando con mucho éxito el Shotcrete o concreto lanzado en el mundo, cuyo campo de aplicación es variado como son: revestimiento y reparación de túneles, estabilización de taludes, paredes de retención, sostenimiento de rocas en labores mineras, etc. La industria moderna ha ido reemplazando las estructuras hechas con materiales tradicionales, en particular durante el siglo XX, tales como piedra, madera y albañilería convirtiéndose, junto con el acero, es el material de mayor uso en la actualidad. Una ventaja fundamental del shotcrete es que permite efectuar un soporte rápido y efectivo de grandes áreas. Con productos y un diseño adecuado de mezcla, en una sola aplicación se pueden obtener espesores de shotcrete superiores a 300 mm. La adición de acelerante especializados puede lograr que el concreto finalice su fraguado en pocos minutos y finalice su fraguado en pocos minutos y desarrolle altas resistencias mecánicas en horas. Uno de los múltiples desarrollos que ha tenido el concreto es el concreto lanzado o “shotcrete”, inicialmente desarrollado para la actividad minera pero actualmente en expansión hacia el ámbito urbano en la forma de sostenimiento de taludes. La tecnología del shotcrete se ha desarrollado con dos métodos de aplicación diferentes, cada uno con su propia línea de equipos, y procedimientos de fabricación y colocación: proyección por vía húmeda y proyección por vía seca.

1.2 DEFINICION El código ACI 506R-05 “Guía al shotcrete” en su acápite 1.4 define al shotcrete como “concreto o mortero neumáticamente proyectado a alta velocidad sobre una superficie”. Tomando un segundo enunciado para este material, la enciclopedia electrónica Wikipedia publicada en Internet presenta una definición similar a las anteriores, sin embargo añade: “…El shotcrete experimenta colocación y compactación al mismo tiempo debido a la fuerza con la que es proyectado desde la boca de salida. Este puede ser impactado sobre cualquier tipo o forma de superficie incluidas áreas verticales o invertidas”.

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1.3 EVOLUCION DEL CONCRETO LANZADO 1895: Desarrollo de la pistola original de cemento (Chicago, EUA) 1907: Invento del rociado de concreto y mortero a alta velocidad por el doctor Carl E. A 1910: Patente en Estados Unidos. Registro del nombre gunite por la Cement Gun Co. de Allentown, PA 1920: Patente en Alemania 1930: Introducción del nombre genérico de shotcrete por la American Railway Engineering Association 1940: Uso inicial de agregado grueso en concreto lanzado 1945: Adopción del término shotcrete por el ACI 1950: Creación del Comité ACI 506 Desarrollo de la pistola tipo rotatoria en Michigan 1955: Introducción del método de vía húmeda 1970: Primer uso práctico de concreto lanzado con fibra de acero por el US Army Corps of Engineers 1975: Primer uso de concreto lanzado con microsílica en Noruega 1980: Primer uso de microsílica en Norteamérica (Vancouver, BC) Introducción de mezclas pre embolsadas 1985: Primer uso de aire incluido en concreto lanzado vía seca 1998: Formación de la American Shotcrete Association.

Fig. 1 Evolución de Equipos y Acelerante

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1.4 APLICACIONES DEL CONCRETO LANZADO Aplicaciones más comunes del concreto lanzado: •

Estabilización de taludes y muros de contención

•

Cisternas y tanques de agua

•

Albercas y lagos artificiales

•

Rocas artificiales (rockscaping)

•

Canales y drenajes

•

Rehabilitación y refuerzo estructural

•

Recubrimiento sobre panel de poliestireno

•

Túneles y minas

•

Muelles, diques y represas

•

Paraboloides, domos geodésicos y cascarones

•

Concreto refractario para chimeneas, hornos y torres

Uso

Requerimientos Típicos

Soporte Temporal en Túneles

• Alta resistencia inicial. • Buena adherencia. • Alto rendimiento. • Bajo rebote.

Soporte permanente túneles

• Alta resistencia inicial. • Alta resistencia final. • Baja permeabilidad. • Alta durabilidad.

Minería

• Alta resistencia inicial. • Sello

de

superficies

de

excavación • Baja a media resistencia final Resistencia al fuego

• Carga protectora (sin función de de carga). • Alta adherencia. • Resistencia a temperatura de hasta 1200° C.

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Estabilización de Taludes

• Rápido

desarrollo

de

resistencias. • Uso flexible. • Volúmenes

bajos

de

concreto Reparación de túneles

• Resistencia a largo plazo. • Buena adherencia. • Resistencia química.

Reparación de presas de concreto.

• Alta durabilidad en capas delgadas. • Bajo

de

modulo

de

elasticidad. • Bajo rebote. Reparación de muelles

• Alta resistencia mecánica. • Alta resistencia a ataques químicos. • Bajo modulo de elasticidad.

Reparación de puentes

• Concreto

joven

no

susceptible vibración por el tráfico. • Bajo modulo de elasticidad.

1.5 REQUERIMIENTOS DEL CONCRETO PROYECTADO (CALIDAD – DESEMPEÑO) Para el diseñador del proyecto, el factor más importante es cumplir con las especificaciones de los estándares para el trabajo de concreto Proyectado, mientras que el contratista hace un énfasis en un método de producción e instalación que garantice la calidad la calidad requerida al mínimo costo. Por otro lado, las autoridades, de Salud y seguridad demandan la máxima higiene y seguridad en obra durante las operaciones de colocación del Concreto Proyectado (máxima resistencia inicial del concreto Proyectado aplicado para la estabilización sobre cabeza, baja contaminación de polvo y mínimo riesgo en sustancias toxicas o alcalinas).

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1.5.1 RESISTENCIA INICIAL Este es un prerrequisito para el concreto Proyectado sobre cabeza, particularmente para altos rendimientos, cuando se aplican capas gruesas o cuando se lanzan en lugares con filtraciones de agua. La curva de desarrollo de resistencia en los primeros minutos tiene una fuerte influencia en la generación de polvo y en rebote. El desarrollo de la resistencia inicial se evalúa entre los 6 y los 60 minutos, luego las medidas se hacen cada hora.

Fig. 2. Resistencia Inicial

1.5.2 RESISTENCIA FINAL A menor cantidad de agua en la mezcla, menor porosidad de la pasta de concreto endurecido. Esto tiene un efectivo ventajoso en la mayoria de las propiedades del concreto, especialmente para la resistencia para la resistencia a la compresión. La cantidad de agua necesaria para la hidratación del cemento equivale a una relación A/C cercana a 0.25. El agua en exceso se evapora después de la aplicación y deja poros en la pasta del concreto endurecido.

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Fig. 3 Resistencia Final

1.5.3 DURABILIDAD - IMPERMEABILIDAD Durabilidad significa baja impermeabilidad. La baja porosidad capilar es esencial para una alta estanqueidad y se obtiene mediante la aplicación correcta del concreto proyectado con una baja relación A/C y un concreto bien curado.

Fig. 4 Durabilidad - Impermeabilidad

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1.5.4 SULFATOS Los sulfatos solubles en agua reaccionan con C3A del cemento para formar etringita. Los cristales de etringita se propagan primero en los poros, cuando los poros están llenos, la etringita desarrolla una presión al interior del concreto que puede destruir la estructura.

1.6 REQUERIMIENTOS DEL CONCRETO PROYECTADO (ECOLOGIA ECONOMIA) •

Es clave que la generación de polvo sea reducida y los riesgos creados por los químicos corrosivos y tóxicos sean minimizados. Un producto utilizado es el acelerante de Fraguado Sigunit AF de la marca Sika.

•

Los acelerantes con álcalis son tóxicos, sin embargo cuando se les libera de ellos – con un ph de alrededor de 3, reducen el impacto ambiental y el riesgo de accidentes durante su manipulación, almacenamiento y uso.

•

El caudal de concreto es el principal factor que hace del sistema vía húmeda el proceso de proyección de concreto mas económico; dependiendo de la aplicación, se pueden colocar hasta 30 m2/ hora. Para obtener estos óptimos rendimientos es importante encontrar el mejor diseño de la mezcla de concreto, espesor de capa, tipo y cantidad de acelerante. Los altos rendimientos no pueden ser obtenidos a menos que el concreto sea fácilmente bombeable.

•

La cantidad de material de rebote es un factor de costo crucial, adicional a la carga, el transporte y la disposición del material de rebote, los costos de rebote también incluyen el concreto Proyectado extra que se debe producir y aplicar.

•

Parámetros que influyen en la cantidad de rebote: Espesor de la capa. Trayectoria del concreto Proyectado. Volumen y presión del aire. Propiedades de adherencia. Tipo de Fibra Proceso de Proyección (vía seca o húmeda).

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Fig.5 Rangos de PH.

1.7 METODOS DE APLICACIÓN DEL CONCRETO LANZADO Existen dos métodos para aplicar el concreto lanzado sobre una superficie determinada. 1.7.1

Método por vía Seca

consiste en mezclar el cementante (cemento + adiciones) con la arena para luego impulsarlo a través de la manguera a la boquilla del equipo, en donde se combinará con el agua y los aditivos líquidos, los cuales llegan por una manguera independiente, para ser finalmente proyectada hacia la superficie mediante el uso de aire comprimido. El método no requiere una alta mecanización, lo cual favorece el uso de esta tecnología en las actividades mineras. La capacidad de los equipos de proyección utilizados para el Shotcrete Vía Seca son de volúmenes de proyección pequeños; por lo que el reducido tamaño de estos equipos hace que sean versátiles en

sus

desplazamientos y ubicaciones respecto a la zona que se desea estabilizar. Tiene una gran acogida en las operaciones mineras, las cuales tienen secciones reducidas en sus labores. La buena instalación del Shotcrete Vía Seca depende en gran medida de la destreza del operador. Es el operador quien controla los niveles de agua con aditivo que serán adicionados a la mezcla, así como la proyección de la mezcla hacia el macizo rocoso (manipuleo de la pistola de lanzado). Es por ello que los niveles de productividad y

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calidad, en gran medida, obedecen al grado de entrenamiento y responsabilidad del operador. La aplicación de Shotcrete Vía Seca produce niveles de rebote elevados. Esto ocurre principalmente cuando se tiene: a) una mala aplicación de la mezcla sobre la superficie del macizo; b) condiciones operativas no apropiadas (baja presión de aire para el equipo); etc. Cabe indicar que los niveles de rebote utilizando esta tecnología de lanzado son mayores que los de la tecnología por vía húmeda.

Fig. 6 Secuencia de Aplicación Vía Seca.

Fig.7

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1.7.2

Diseño de Mezcla para concreto proyectado por Vía Seca.

Las diseños de las mezclas de concreto proyectado deben siempre adaptarse a las especificaciones del agregado y del cemento disponible para poder obtener la resistencia inicial y la manejabilidad requeridas. Los ensayos preliminares en el laboratorio hacen más fáciles las operaciones en obra. El tipo del cemento tiene una fuerte influencia en el desarrollo tanto de la resistencia inicial como de la final y en las propiedades del concreto endurecido. Las fibras de acero incrementan la capacidad de carga y las propiedades de ductilidad del concreto proyectado. El tamaño máximo del agregado depende del espesor de capa y del acabado de la superficie requerida del concreto proyectado. Aproximadamente el 95 % de la superficie del agregado corresponde a la fracción de arena de 0-4 mm, las variaciones en la arena tienen un fuerte efecto en las propiedades del concreto fresco, en la relación a/c y por ende en las propiedades del concreto endurecido.

Los presentes diseños y estándares son datos de trabajo realizado en la mina Chungar.

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1.7.3

Ventajas y Desventajas del concreto proyectado por Vía Seca. Ventajas

•

Fácil

manejo

para

Desventajas volúmenes

pequeños. •

Equipos

lanzadores

son

más

económicos. •

En la boquilla se tiene el control del

•

Alta generación de Polvos.

•

Alto Rebote.

•

Mayor contaminación.

•

Perdidas de mezcla por rebote de hasta 35%.

agua y de la consistencia de la mezcla. •

Mantenimiento de equipos es más económica.

•

1.7.4

Transportable a mayor distancia.

Método por vía Húmeda

El segundo método, llamado “vía húmeda” consiste en mezclar la arena, cementante y el agua antes de ser impulsados a través de la manguera del equipo, de tal forma que cuando la mezcla llega a la boquilla de la máquina, esta ya se encuentra lista para ser proyectada. Requerimientos Básicos: La resistencia mínima requerida es de 30 Kg/cm² a las 4 horas de lanzado, a las 24 horas 100 kg/cm² y a los 7 días debe ser mayor de 210 kg/cm²; verificado mediante ensayes de laboratorio. La proyección por vía húmeda tiene las ventajas de un control de calidad superior (a través del control de la relación w/c), menor costo de colocación y un ambiente de trabajo relativamente libre de polvo. En el método de proyección por vía húmeda es usualmente necesario añadir un acelerante en la boquilla para agilizar el fraguado y la ganancia de resistencia inicial del concreto en el substrato.

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Fig.8 Esta constituido a diferencia del shotcrete por vía seca de más aditivos como: Inhibidores de hidratación: permiten regular el fraguado pudiendo mantener la mezcla las horas que sean necesarias para poder utilizarlo (12 a 72 Hrs).

Superplastificantes: ayudan a mantener la trabajabilidad del mortero y evitan la sobrecarga de agua en el concreto, recordar que si excedemos el agua de diseño el shotcrete pierde resistencia.

Acelerantes ultrarrápidos: permiten que se puedan continuar con los trabajos de explotación pocas horas después de ser colocado y mejoran el desempeño del concreto en zonas húmedas.

Humo de sílice o Microsílice: es utilizado como complemento del cemento incrementa la plasticidad y la resistencia a la compresión, su propiedad hace que la mezcla sea pegajosa y mas densa.

Fibras de acero y polipropileno: este aditivo permite incrementar la resistencia a la compresión y flexión del shotcrete, pero no se debe usar como reemplazo de un refuerzo de acero; utilizamos la fibra de polipropileno, ya que no se deteriora con el

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agua, es inerte. Proyectado a presión de aire sobre la superficie que En relación al diseño utilizado en nuestra labores se ha determinado que debe trabajar con una resistencia a la compresión (f’c) mínima: 7 Mpa a 1 dia, 30 Mpa a 28 dias. La resistencia mínima a la flexión no debe ser menor a 4 Mpa(41 Kg/cm2), 1.7.4.1 USO DEL CEMENTO Cabe señalar que el shotcrete va a comportarse diferente en un inicio si es que se utiliza otro tipo de cemento como el Tipo V2, pero el producto final es el mismo.

Fig.9

cemento tipo I los sulfatos lo alteran muy rápido además de que los cristales en formación empujan la capa de shotcrete haciendo que falle(ver Foto 1), además de que pierde adherencia con respecto de la superficie de la labor, por lo tanto no trabaja; lo que no ocurre con el Tipo V.

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1.7.4.2 USO DEL AGREGADO Tener un agregado adecuado influye directamente en el shotcrete, ya que depende de no exceder los limites máximos y mínimos preestablecidos por el. Según bibliografía el diámetro mayor de los agregados debe ser 3/8’, el material que pase la malla # 200 debe estar entre el 2% y 10 %.

•

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. El método por vía húmeda mejoró sustancialmente las condiciones del ambiente de trabajo, trayendo consigo mayor seguridad para los trabajadores de túneles. 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. Con el control remoto de los equipos era posible que el operador estuviera bajo un área previamente protegida por lo cual los riesgos de caídas de rocas involucrarían solo equipos, más no vidas humanas. •

Aplicación.

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

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transporta a presión a través de la manguera. Al principio se utilizaban principalmente bombas helicoidales, ahora 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 a 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 resistencias a la compresión así como también a la adherencia deficiente y rebote. Para la proyección robotizada se requieren hasta de 15 m3/min de aire.

Fig.10

1.7.5

Diseño de Mezcla para concreto proyectado por Vía Húmeda.

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1.7.6

Ventajas y Desventajas del concreto proyectado por Vía Húmeda. Ventajas

Desventajas

•

Alto rendimiento hasta 30 m3/h

•

Se puede colocar colocar concreto

para el preparado de mezcla con las

proyectado con fibras de acero.

dosificaciones de diseño.

•

Mejor

control

principalmente

de la

la

•

dosificación

relación

agua

•

•

No se puede aplicar en secciones

Menor rebote de la mezcla, se estima

menores

como máximo 10%.

dimensiones de los equipos.

Menos producción de polvo, por ende

•

de

3.0x3.0m

por

las

Los costos son relativamente más altos que el de vía seca.

menos contaminación. •

Para el manejo de los equipos se requiere de mano de obra calificada.

/

cemento. •

•

Se requiere de una planta de concreto

Velocidad proyección alta 60-70 m/s

Fig.11

1.7.7

SHOCRETE REFORZADO CON FIBRA.

La adición de fibras de refuerzo a la mezcla permite proveer de ductilidad al concreto, lo cual permite que la estructura soporte deformaciones más allá de su límite elástico, provocadas por desplazamientos del terreno luego de la aplicación. Debido a factores económicos, las fibras se utilizan usualmente sólo en shotcrete

proyectado por vía

húmeda y son dosificadas junto con la mezcla de concreto. cumple con las especificaciones ASTM C1116 para concreto y Shotcrete reforzado con fibra sintética. Las fibras añadidas al shotcrete pueden ser de acero, de vidrio, sintéticas o hechas de materiales naturales. La inclusión de estas adiciones tiene como propósito mejorar las propiedades del shotcrete tales como ductilidad, tenacidad, resistencia a la flexión, resistencia al impacto, resistencia a la fatiga (ciclos de carga y descarga) e incluso incrementar ligeramente la resistencia a la compresión.

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Fig.12 1.7.8

CONSIDERACIONES DE LA FIBRA.

CLASIFICACIÓN DE FIBRAS (ASTM A820) Alambre cortado en frío Lámina cortada Extracción a partir de masa fundida, otros

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PARÁMETROS QUE DESCRIBEN LA CALIDAD DE LA FIBRA Radio de Aspecto (Longitud / Diámetro) Resistencia a la tensión Forma geométrica CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE LA FIBRA Peso Específico Módulo de Young o Módulo de elasticidad Módulo de Tensión de ruptura por tracción Elongación de Rotura 1.7.9

CARACTERISTICAS GEOMETRICAS DE LAS FIBRAS.

Fig.13 1.7.10 CARACTERISTICAS DEL MATERIAL. El concreto lanzado (shotcrete) reforzado con fibras metálicas, incorpora un volumen relativamente pequeño de estas fibras en comparación con su masa total (hasta un 2%). Las propiedades características de este material son definidas por el código ACI 506.1R-98 en función a 5 criterios base: Resistencia a la flexión y compresión: Las resistencias típicas a la flexión obtenidas a las 28 días a partir de testigos prismáticos (vigas), obtenidas de acuerdo a la norma ASTM C78, se sitúan en un rango entre 42 kg/cm2 (4.1 MPa) y 105 kg/cm2 (10.3 MPa). Cabe señalar que este rango se basa en los valores típicos especificados para minería y construcción, sin

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embargo es posible incrementar la resistencia dependiendo de los requerimientos estructurales del proyecto siempre que esto sea factible tecnológica y prácticamente. La misma norma sitúa la resistencia en compresión del shotcrete entre 296 kg/cm2 (29 MPa) y 530 kg/cm2 (52 MPa), aplicándose la misma consideración que en el caso anterior. Resistencia al impacto: De acuerdo al ensayo para cargas de impacto descrito en el código ACI 544.2R, se espera que el número de golpes del martillo estándar requeridos para fisurar y separar los especímenes de shotcrete reforzado con fibras a los 28 días, se encuentre entre 100 y 500 dependiendo de la dosis y tipo de fibras. En comparación las mezclas de shotcrete sin fibras requieren usualmente 10 a 40 golpes para alcanzar la falla. Tenacidad: La cantidad de energía requerida para producir la falla en este tipo de concreto, dependerá de la dosis de fibra y su tipo. De acuerdo a las pruebas realizadas bajo la norma ASTM C 1018, en vigas pequeñas (100 x 100 x 350 mm), se espera que esta energía sea 10 a 20 veces la requerida para hacer fallar una muestra control sin fibra, bajo las mismas condiciones de ensayo.

Esfuerzos de tracción al 90% de la carga de falla: A pesar de que este parámetro no es de referencia común, permite evaluar el comportamiento de shotecrete frente a cargas aplicadas rápidamente hasta llegar a la falla. De acuerdo a los ensayos realizados por R.A. Kaden descritos en su libro “Fiber Reinforced Shotcrete: Ririe Dam and Little Goose (CPRR) Relocation” publicado por el ACI internacional, se espera que el desempeño del shotcrete reforzado con fibras sea aproximadamente el doble del obtenido por el shotcrete sin este refuerzo.

Resistencia al desprendimiento (prueba de adherencia): Los ensayos realizados sobre anclajes embebidos durante el proceso de vaciado, muestran una resistencia al desprendimiento del shotcrete reforzado con fibra superior en más de 50% con respecto a la resistencia de su contraparte de shotcrete carente de este refuerzo.

1.7.11 MATERIALES USADOS PARA LA ELABORACION DEL SHOCRETE REFORZADO. Los materiales usados en el Shotcrete son básicamente los mismos que los utilizados en un concreto convencional: cemento, agregados inertes finos, agua, aditivos, y a partir de los 80´s se empezaron a usar fibras.

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Cemento y Agua: El cemento utilizado fue el cemento convencional Pórtland Tipo I y el agua empleada en el diseño de mezcla fue agua potable. Agregados: Los agregados para el Shotcrete deben cumplir siempre con la norma ASTM C33. Aditivos: POLYHEED RI.- Es un aditivo retardante, reductor de agua de medio rango, multicomponente y libre de cloruros formulado para producir en el caso del Shotcrete incremento en el desarrollo de las resistencias a la compresión y a la flexión en todas las edades, además que resulta efectivo ya sea como un aditivo único o como parte de un sistema de aditivos MBT. RHEOBUILD 1000.- Es un aditivo reductor de agua de alto-rango diseñado para producir concreto rheoplastico y recomendado para desarrollo rápido de resistencias y uso fundamental en aplicaciones civiles y de minería ya sea en Shotcrete por vía húmeda o seca. MEYCO SA160.- Es un aditivo acelerante de elevado rendimiento, exento de álcalis para su utilización en el proceso de proyección por vía húmeda, adecuado para todas aquellas aplicaciones donde se requieran resistencias iniciales o finales elevadas, es idóneo para concreto proyectado por vía húmeda en el sostenimiento de rocas.

1.7.12 APLICACIÓN EN LA CONSTRUCCION DE ESTRUCTURAS. El shotcrete constituye un material prefabricado de rápida aplicación y puesta en servicio, que en estado endurecido permite el movimiento restringido de las estructuras sobre las que es aplicado. Esta característica lo hace ideal para la construcción de estructuras de sostenimiento de terreno o vaciadas contra este. En el campo de la minería este material es aplicado en la construcción del sostenimiento de los túneles, reemplazando los antiguos pórticos de madera y sistemas de anclaje convencionales. Este tipo de estructuras, definidas por varios autores como “sostenimiento temporal activo”, deben ser capaces de absorber los movimientos naturales de los frentes de roca los cuales imprimen deformaciones a todas las estructuras apoyadas sobre estos. Este movimiento se traduce en energía de deformación misma que el shotcrete debe disipar sin llegar al colapso. El shotcrete sin fibras, así como el concreto convencional es un material que trabajará esencialmente a compresión y mientras las cargas se orienten en este sentido no se

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tendrá mayores problemas, sin embargo cuando se presentan cargas perpendiculares al plano axial de compresión, la deformación inducida genera esfuerzos de tracción que el shotcrete buscará disipar en forma de fisuras. De no existir un elemento quecontinúe transmitiendo los esfuerzos de tracción a través de las fisuras, la formación de estas constituirá el fin de la resistencia del shotcrete y de continuar aplicando carga en este plano, el colapso será inevitable. Por el contrario si se añaden, en este caso, fibras metálicas a la matriz del shotcrete, estas comenzarán a transmitir los esfuerzos de tracción a través de las fisuras, disipando la energía y preservando la continuidad de la estructura.

Fig.14 En base a las experiencias obtenidas con el shotcrete reforzado con fibras metálicas en la minería y tomando en cuenta las capacidades de este material, se ha incursionado en obras civiles tales como sostenimiento de taludes, bien sea mediante la estabilización temporal o construyendo, muros de contención, e incluso estructuras como cisternas y piscinas.

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Los ensayos realizados demuestran que el shotcrete reforzado con fibras tiene capacidad para absorber deformaciones muy elevadas sin colapsar a diferencia de lo exhibido por el concreto no reforzado, cuyo colapso se presenta usualmente al aparecer la primera fisura. Las pruebas sobre paneles circulares, según la norma ASTM C 1550, han dado como resultado un incremento en el concreto de aproximadamente 100 veces la capacidad para deformarse debido a la adición de fibra. Así mismo estas pruebas han evidenciado un ligero incremento en la resistencia a compresión en los testigos cilíndricos debido a la resistencia que aporta la fibra a la deformación en el eje perpendicular a la carga.

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CAPITULO 2 ENSAYOS DEL CONCRETO LANZADO. 2. INTRODUCCION Las normas son la ASTM C 1399 (ensayo de vigas prismáticas) y ASTM C 1550 (ensayo de paneles circulares). En el primer caso, el ensayo de vigas requiere una prensa estándar, equipada con cabezales para rotura a tres luces tal como indica la referida norma, y un sistema de registro simultáneo de fuerza aplicada y deflexión central. En el caso del ensayo para paneles circulares, además de los dispositivos de medición mencionados en el caso anterior, se requiere contar con un marco de reacción que acomode al espécimen de ensayo y que permita la ejecución del mismo de acuerdo a las indicaciones de la correspondiente norma ASTM. 2.1 Requisitos de las normas aplicables para los dispositivos de ensayo Para medir las propiedades de los materiales a ensayar, el marco teórico (normas aplicables) debe

garantizar

la repetitividad

de

los

ensayos

realizados.

La

estandarización de cada ensayo se realizó fijando las variables de los mismos dentro de rangos determinados. Tanto para los ensayos de paneles circulares como para las

11 vigas prismáticas, las normas determinan los siguientes rangos para los equipos y la información a obtener: 2.1.1 Ensayos de Paneles Circulares ASTM C 1550 • El equipo de registro de carga aplicada debe tener una resolución mínima de+50 N. •

El marco de reacción y dispositivos de apoyo deben ser capaces de soportar carga hasta 100 KN aplicados al centro del espécimen.

•

Los soportes del espécimen deben tener la suficiente rigidez para no desplazarse radialmente más de 0.5 mm bajo un espécimen con 40 mm de deflexión central y una carga pico de 100 KN. Así mismo dichos soportes no se desplazarán más de 0.5 mm siguiendo la dirección de la circunferencia sobre la cual se alinean dichos soportes, bajo las condiciones mencionadas anteriormente

•

El pistón de carga consiste en un cilindro de 50 +5 mm de diámetro cuyo punto de contacto lo forma un casquete esférico de 80 +5 mm de radio.

•

Los testigos a ensayar tendrán las siguientes dimensiones: 800 +10 mm de diámetro y 75 -5/+15 mm de espesor. La desviación estándar de un total de 10mediciones será menor a 3 mm.

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•

Cada material o mezcla a ensayar deberá contar con al menos tres especimenes. Cada muestra consistirá de al menos 2 ensayos exitosos, considerando bajo dicha condición a aquellos especimenes que presenten al menos tres fallas radiales. Aquellos paneles que muestren una única falla a través del diámetro serán descartados.

Fig.15 Lanzado de Shocrete en moldes de paneles redondos.

2.1.2 Ensayos de Vigas Prismáticas ASTM C 1399 • La celda de carga a emplear tendrá una capacidad mínima de 44.5 KN. •

La deflexión debe ser medida con un instrumento capaz de registrar deformaciones con una resolución mínima de 0.025 mm.

•

El equipo de registro de datos debe recopilar simultáneamente la deflexión del espécimen y la carga aplicada.

•

El dispositivo de carga deberá contar con una placa de acero de 100 mm de ancho, 350 mm de largo y 12 mm de espesor.

•

Los testigos prismáticos (vigas) tendrán las siguientes dimensiones: 100 mm de ancho, 350 mm de largo y 100 mm de espesor.

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CONCRETO LANZADO

CAPITULO 3 ENSAYOS EN PANELES CIRCULARES Y VIGAS PRISMÁTICAS DE CONCRETO REFORZADO CON FIBRAS METÁLICAS

3.1Ensayos en Paneles Circulares 3.1.1 Elaboración de Testigos y descripción del ensayo. Los paneles circulares a ensayar se moldean de acuerdo a lo requerido en el acápite 7.1 de la norma ASTM C 1550, considerando las dimensiones del molde, la forma del vaciado, el curado y la ejecución del ensayo Los moldes fueron construidos de acero según la recomendación de la norma, conservando las medidas internas 800 mm (con una variación de 10 mm) y una profundidad de 75 mm.

Fig 16 Previo a cada jornada de vaciado, los moldes fueron ubicados sobre soportes inclinados a 45º (Fig. 17). Se aplicó desmoldante a las superficies interiores a fin de evitar que el espécimen se adhiera al molde y se provoquen daños al mismo durante el desencofrado.

Fig.17

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CONCRETO LANZADO

El vaciado de los moldes se realizó con un equipo de concreto lanzado (Fig. proyectando la mezcla de concreto sobre los moldes siguiendo una espiral desde el centro hacia fuera (Fig.18 ).

Fig18 Esta metodología se empleó a fin de obtener, en la medida de lo posible, una masa uniforme en toda la extensión del panel. Una vez moldeados los paneles, estos se retiraron rápidamente de sus soportes para darle el acabado superficial, antes que el endurecimiento del concreto lo impida

Fig.19 Al término de cada jornada los paneles moldeados se colocaron en parihuelas bajo un secado húmedo con mantas y plástico protector. Luego de 3 días dichos paneles se colocaron en la poza de curado hasta la víspera de sus respectivos ensayos (Fig. 20).

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CONCRETO LANZADO

Fig. 20 Concluido el período de curado para los especimenes, estos se trasladaron al laboratorio de pruebas donde se les tomó las medidas correspondientes y dejaron secar durante 24 horas. Una vez secos los especimenes, se procedió a colocarlos manualmente sobre el dispositivo de ensayo, ubicando los tres puntos de apoyo pivotantes sobre la circunferencia interna de 750 mm de cada testigo. La disposición de los paneles al interior del dispositivo de ensayos se realizó de forma que el pistón de carga se ubique sobre el centro del panel y el dispositivo de medición de desplazamientos (LVDT) se ubique debajo de este. La ubicación del testigo sobre los pivotes así como la ubicación de los dispositivos de carga y medición de desplazamiento corresponden a lo especificado por la norma ASTM C1550 (Figs. 21).

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Fig.21 El ensayo consistió en aplicar, de forma constante, deformación al centro del panel con un pistón semiesférico. La velocidad de avance del pistón se ajustó a lo indicado en el acápite 9.3 de la norma ASTM C 1550. El ensayo del testigo se detiene una vez alcanzados los 45 mm de deflexión central o el colapso del panel. El objetivo del ensayo es obtener para cada testigo los datos de fuerza vs. Deformación durante la ejecución del ensayo hasta que este llegue a la deflexión final. Con los datos de fuerza (KN) y deflexión central (mm), se construyó, de acuerdo al acápite 10 de la norma ASTM C 1550, la curva de fuerza vs. Deformación, la cual constituye una propiedad física de cada panel. Calculando la integral de dicha curva (el área bajo la misma) se obtuvo la energía total, expresada en joules, absorbida por cada panel de shotcrete. La gráfica muestra el punto de falla del concreto y el inicio del trabajo de la fibra como elemento resistente frente a la deformación. Este punto se muestra como un pico de resistencia máxima a partir del cual la resistencia comienza a descender a medida que se incrementa la deflexión central. Tomando este punto como inicio, la integral de la curva desde este punto da como resultado la energía absorbida por las fibras metálicas presentes en la masa de concreto, también llamada energía residual (Fig. 22)

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3.1.2 Parámetros Registrados. De acuerdo a los requerimientos de la norma ASTM C 1550, cada panel debe ser verificado antes del ensayo a fin de asegurar la uniformidad de las medidas de los testigos a ser ensayados. Se midió tres veces el diámetro y el espesor de cada panel así como la desviación estándar de estas medidas, en cumplimiento de lo indicado por la norma indicada. Así mismo el resultado del ensayo de un testigo será valido cuando la falla ocurre de cuerdo a lo descrito en la norma; es decir formando al menos tres fisuras radiales. De cada testigo se obtendrá los siguientes parámetros: •

Antes del ensayo: Espesor promedio del panel (mm), desviación estándar del espesor, diámetro promedio del panel (mm), desviación estándar del diámetro.

•

Después del ensayo: Carga de falla del panel, deflexión de falla del panel (mm), energía total absorbida hasta los 35 mm, energía residual absorbida hasta los 35 mm, tipo de falla observada.

3.2 Ensayos de Vigas Prismáticas. 3.2.1 Elaboración de Testigos y descripción del ensayo. Para la elaboración de las vigas prismáticas, se moldearon paneles rectangulares de 600x600 mm dichos paneles se moldearon paralelamente a los paneles circulares. Los testigos cortados de los paneles rectangulares tienen como dimensiones 350x100x100 mm, e acuerdo a lo requerido por el acápite 7.3.2 de la norma ASTM C 1399 Los moldes empleados se fabrican de acero a fin de mantener las dimensiones de cada panel y garantizar un ambiente rígido para la mezcla de shotcrete (Fig.23 ).

Fig.23 Previo a cada jornada de vaciado, los moldes son ubicados sobre soportes inclinados a 45º. De igual forma que para los paneles circulares, se aplicó desmoldante a las superficies interiores (Fig. 24).

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Fig.24 El vaciado de los moldes se realizó con el mismo equipo de concreto lanzado proyectando la mezcla de concreto sobre los moldes manteniendo la metodología empleada en los paneles circulares (Fig. 25)

Fig.25 Una vez moldeados los paneles, estos se retiraron rápidamente de sus soportes para darle acabado superficial, antes que el endurecimiento del concreto lo impida. Al término de cada jornada los paneles moldeados se colocaron en parihuelas bajo un secado húmedo con mantas y plástico protector (Fig.26). Luego de 3 días dichos paneles se colocaron en la poza metálica hasta la víspera de sus respectivos ensayos (Fig. 27).

Fig. 26

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Fig. 27

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Concluido el período de curado para los especímenes, estos fueron retirados de la poza de curado y cortados para extraer las vigas de 100x100x350 mm. Una vez cortadas las vigas estas se trasladaron al laboratorio de pruebas, donde se les tomaron las medidas correspondientes y se dejaron secar por un período de 24 horas. Los ensayos se realizaron siguiendo el procedimiento descrito en el acápite 8 de la norma ASTM C 1399. Las vigas prismáticas se colocaron en una prensa configurada según los requerimientos del acápite 4.1 de la mencionada norma (Fig.28).

Fig. 28 El ensayo de cada viga se realiza de la siguiente manera: Previo a la colocación del testigo en el dispositivo se instaló sobre los soportes pivotantes, la plancha metálica rígida. Sobre esta plancha se ubicó el testigo haciendo coincidir las marcas de la viga con las existentes en el dispositivo de ensayo de forma que el conjunto quede centrado según el esquema presentado en la figura. La viga se ubicó sobre la plancha colocando la cara corta paralela a la misma. La plancha rígida tiene en el centro un orificio por donde atraviesa el dispositivo de medición de desplazamiento LVDT, el cual se encuentra en contacto con la superficie del testigo. La ejecución del ensayo se llevó a cabo en dos etapas. En la primera etapa, se aplica una carga sobre la viga a una velocidad constante hasta alcanzar los 0.5 mm de deflexión central. Si la fisura no se produce luego de alcanzar esta deflexión, el resultado es inválido. Luego de alcanzados los 0.5 mm de deflexión, se detiene el ensayo, se almacenan los datos y se retira la plancha rígida.

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La segunda etapa del ensayo consiste en aplicar nuevamente carga sobre la viga ya fisurada, partiendo de cero (se reinicia el dispositivo de medición de desplazamiento) hasta llegar a los 1.25 mm de deflexión, culminando de esta forma con el ensayo de la viga. El objetivo del ensayo es obtener para cada testigo los datos de fuerza (N) vs. Deformación (mm) durante ambas etapas del ensayo de forma que se puedan construir las curvas de carga y recarga del espécimen (Fig. 29).

Fig.29 3.2.2 Parámetros Registrados. De acuerdo a los requerimientos de la norma ASTM C 1399, se verificarán las medidas de todas las vigas prismáticas a ensayar. Se midió tres veces la altura, longitud y ancho de cada viga, tomándose como valor el promedio de cada una de estas dimensiones. Así mismo el resultado del ensayo de un testigo será valido válido cuando la falla ocurre de acuerdo a lo descrito en la norma. De cada testigo se obtendrán los siguientes parámetros: •

Antes del ensayo: Dimensiones promedio de la viga, historial de curado.

•

Después del ensayo: Carga de primera fisura, deflexión de fisuración, tipo de falla observada, carga máxima del ensayo, ancho promedio de la fisura, deflexión para la carga máxima.

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CAPITULO 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4.1 CONCLUSIONES •

Los aditivos adicionados al shotcrete ayudan a elevar su resistencia en un menor lapso de tiempo.

•

Se deben realizar controles periódicos del rebote, ya que el mismo varía con cada operador.

•

La resistencia a la flexión no debe ser menor a 4 Mpa. Si es mayor es mejor.

•

El promedio de rebote en el shotcrete de vía seca es del 25% por m3, y por vía húmeda es menor a 10% por m3.

•

El Shotcrete reforzado con fibras ofrece muchas ventajas en comparación al Shotcrete convencional, por ejemplo: lo hace más dúctil, controla las fisuras, tiene una aplicación mucho más rápida y fácil, es más durable, eficaz y rentable.

•

Aplicado el Shotcrete sobre una superficie rocosa es obligado a introducirse en las fisuras y en las juntas abiertas, de este modo se hace cargo de la misma función de unión que tiene el mortero en un muro de piedra. Aun cuando se aplique en forma de capa fina, cuenta con una considerable capacidad para impedir el desprendimiento de rocas.

•

Para que haya una menor variabilidad en los resultados de la prueba se recomienda que el Shotcrete sea lanzado sobre los paneles de manera cuidadosa para no tener problemas con la desviación del espesor en las muestras.

•

Hay que analizar las grietas que se producen en el ensayo ya que de ellas dependen si existirá una baja o alta variabilidad en el comportamiento logrado de la tenacidad a la flexión.

4.2 RECOMENDACIONES. •

Al inicio de cada proyecto en los que se considera el uso de concreto lanzado (shotcrete) se recomienda definir los requisitos de servicio de la estructura a construir. Estos requisitos permitirán al constructor evaluar diferentes alternativas de shotecrete con fibras metálicas y seleccionar la mejor opción.

•

Antes de aceptar como válidos los resultados de los ensayos tanto de paneles circulares

como

de

vigas

prismáticas,

se

recomienda

verificar

su

correspondencia con lo esperado como resultados por las normas marco de

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estos ensayos así como la similitud de estos datos experimentales con lo obtenido por otros laboratorios sobre muestras similares. Si los resultados obtenidos no cumplen con lo anterior, deben replantearse los ensayos ya que el análisis posterior descansa sobre los valores experimentales.

CAPITULO 5 BIBLIOGRAFIA Bueno, F.J.C. (2003). Manual del Shotcrete Cobriza, Asistente de Geomecánica – Cobriza – Huancavelica, Perú Franco, E. A.; Macedo, A. M.; Clark, L.(2001). Sostenimiento Moderno, Aplicación. Aleksey de Las Casas. Estudio del desempeño de concreto Lanzado Reforzado con Fibra. Universidad Católica del Perú. Sika. Sistemas para Concreto Proyectado – Tecnología y Concreto. Fernando Campo Martinez. Shocrete Reforzado con Fibras.

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