Control del contenido de cemento de inyecciones en suelo. Aplicación práctica
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(3) Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos Departamento de Ingenierı́a y Morfologı́a del Terreno. Control del Contenido de Cemento de Inyecciones en Suelo. Aplicación Práctica. Master‘s Thesis. Autor: Nóvaro Aronés Barbarán MSc Ingeniero Civil. Directores Rubén A. Galindo Aires Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Luis Tissera Bracamonte Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Julio, 2017.
(4) Tribunal nombrado por la Comisión Académica del Máster Universitario en Ingenierı́a de las Estructuras, Cimentaciones y Materiales de la Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de Madrid.. Presidente:. D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Vocal:. D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Vocal:. D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Realizado el acto de defensa y lectura del Trabajo Fin de Máster el dı́a ....... de Julio de 2017 en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de Madrid.. CALIFICACIÓN:. EL PRESIDENTE. LOS VOCALES.
(5) Abstract In order to improve the physical and geotechnical properties of soils to perform various works, cement injections in soils are used in many methods. Around the world many works have been executed with this method for which controls of the land are dealt with mostly in the place, with both mechanical and geophysical auscultation methods. Of these, it is possible to destabilize the continuous dynamic penetration, the penetration with the cone CPT, the presiometric, the side load LTT, these inside the mechanics, while in the geophysicists can be mentioned electric tomography, refraction microtremor ReMi or Seismic refraction, or inside probes by PS-logging, sonic probe, electric probe, induction probe, well or junction. However, with these controls it is not possible to know with precision the actual amount of injected cement or the composition of the soil-cement mixture. In this work, we try to know the cement content in soil-cement mixtures by means of chemical tests of X-ray fluorescence and to know the parameters resistant to cutting both the natural soil and the samples with cement content. For this purpose chemical tests of X-ray fluorescence with wavelength dispersion (WD-XRF) and cut resistance test on soil samples and soil samples with cement content with different dosages added to a reference soil. The experimental campaign is carried out on soil samples classified as clay of low plasticity obtained from the shoulders of the earth dam of L’Algabes. The campaign consists of making samples of natural soil (clay of low plasticity), soil with cement content of 5 % and 10 % by weight, seeking basically to evaluate its cut resistant parameters by direct cutting tests and to evaluate by chemical test of X-ray fluorescence the cement content of these, knowing a priori the percentage of cement content of the samples made. The results obtained from the direct cutting test on the various samples, have a variation in their parameters resistant to cutting, with increasing content of cement with respect to the natural soil. If these parameters of cohesion and internal friction angle were applied to the calculation of earth structures, an improvement in stability and their respective safety factors would be obtained. With the results obtained from the chemical test of X-ray fluorescence of the concentration of elements of cement, natural soil and cement-containing samples, the cement content was obtained in the soil-cement samples, which were very close to In the laboratory, to an approximation of less than 2 % of the actual cement content. During the execution of the work there were difficulties during the experimental i.
(6) campaign, both in the direct cutting tests and in obtaining the cement content in the samples. Regarding the direct cutting test in the handling of direct cutting equipment, which were solved with the experience of the laboratory technicians. And with respect to obtaining the cement content in samples, there is still the uncertainty of the “real” estimate of the values of cement content, however the values obtained are very close, which can be used for a more control in the injections of soil. This estimate as in all campaign work there may have been possible sources of error during which it has been attempted to minimize during the work.. ii.
(7) Resumen Con el objetivo de mejorar las propiedades fı́sicas y geotécnicas de los suelos para ejecutar diversas obras se utilizan entre muchos métodos las inyecciones de cemento en suelos. Alrededor del mundo se han ejecutado muchas obras con este método para lo cual se realizan controles de los terrenos tratados en su mayorı́a in situ, con métodos de auscultación tanto mecánicos como geofisicos. De los cuales se puede destacar el de penetración dinámica continua SPT, de penetración con cono CPT, el presiométrico, el de carga lateral LTT, estos dentro de los mecánicos, mientras en los geofisicos se puede mencionar la tomografı́a eléctrica, la refracción microtremor ReMi o la sı́smica de refracción, o en el interior de sondeos mediante PS- loging, sonda sónica, sonda electrica, sonda de inducción, downhole o crosshole. Sin embargo con estos controles no se llega a saber con precisión la cantidad real de cemento inyectado o la composición de la mezcla de suelo-cemento. En este trabajo se intenta conocer el contenido de cemento en mezclas de suelocemento mediante ensayos quı́micos de fluorescencia de rayos X y conocer los parámetros resistentes al corte tanto del suelo natural como de las muestras con contenido de cemento. Para lo cual se realizan ensayos quı́mico de fluorescencia de rayos X con dispersión de longitud de onda (WD-XRF) y ensayo de resistencia al corte sobre muestras de suelo y muestras de suelo con contenido de cemento con diferentes dosificaciones agregadas a un suelo de referencia. La campaña experimental se realiza sobre muestras de suelo con clasificación como arcilla de baja plasticidad obtenidas de los espaldones de la presa de tierra de L’Algabes. La campaña consiste en realizar muestras de suelo natural (arcilla de baja plasticidad), suelo con contenido de cemento de 5 % y 10 % en peso, buscando evaluar básicamente sus parámetros resistente al corte mediante ensayos de corte directo y evaluar mediante ensayo quı́mico de florescencia de rayos X el contenido de cemento de estas, conociendo a priori el porcentaje de contenido de cemento de las muestras elaboradas. Los resultados obtenidos del ensayo de corte directo sobre las diversas muestras, tiene una variación en sus parámetros resistentes al corte, siendo cada vez mayor los de contenido de cemento respecto al suelo natural. Si estos parámetros de cohesión y angulo de fricción interno se aplicaran al cálculo de estructuras de tierra se obtendrı́a una mejora en la estabilidad y sus respectivos factores de seguridad. Con los resultados obtenidos del ensayo quı́mico de fluorescencia de rayos X de la concentración de elementos de las muestras de cemento, suelo natural y suel con contenido de cemento, se obtuvo el contenido de cemento en las muestras suelo-cemento, iii.
(8) siendo estas muy cercanas a lo elaborado en laboratorio, con una aproximación menor al 2 % del contenido real de cemento. Durante la realización del trabajo existieron dificultades durante la campaña experimental, tanto en los ensayos de corte directo como en la obtención del contenido de cemento en las muestras. Respecto al ensayo de corte directo en el manejo de los equipos de corte directo, los cuales fueron solucionados con la experiencia de los técnicos del laboratorio. Y respecto a la obtención del contenido de cemento en muestras, existe aún la incertidumbre de la estimación “real” de los valores de contenido de cemento, sin embargo lo valores obtenidos son muy cercanos, los cuales pueden servir para un control más en las inyecciones de suelo. Esta estimación como en todo trabajo de campaña pudieron existir posibles fuentes de error durante, los cuales sea ha tratado de minimizar durante el trabajo.. iv.
(9) Agradecimientos A D. Rubén A. Galindo Aires, director de este trabajo por la oportunidad brindada, por la confianza que depositó en mi desde el principio, por su valiosa ayuda en orientar el desarrollo del trabajo, por su siempre disposición de su valioso tiempo, por sus buenos consejos y preocupación para llevar a buen término este proyecto. De igual forma agradecer al Director Luis Tissera Bracamonte, el artifice de este tema de trabajo, el cual es autor de un trabajo respecto a este tema, agradecer por su tiempo y disponibilidad para conmigo en el desarrollo del trabajo. Gracias a este trabajo he conocido a dos excelentes investigadores y aprendı́ muchı́simo de ellos. Ha sido un gran privilegio haberles tenido como directores. A ambos muchas gracias. A Cristina Fonollá Veiga, personal técnico del laboratorio, por su ayuda, buena disposición y una excelente atención a lo largo del desarrollo de la campaña experimental en los ensayos de laboratorio realizados en este presente trabajo. Por otro lado agradecer a todo el personal en su conjunto del laboratorio de Geotécnia de la Escuela de Caminos, Canales y Puertos por su disponibilidad y atención en todo momento en cuanto lo requerı́a. A mi madre querida por su apoyo y sufrimiento silencioso, por ser siempre una voz de aliento y me hubiera gustado que veas salir esto a luz. Para mı́ la mejor madre padre que uno pueda tener. Siempre estarás conmigo. A mi familia por la confianza, paciencia y el gran apoyo que tengo que sin ello, esto no hubiera sido posible. Extender el agradecimiento a todos los docentes de la Escuela de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad Politécnica de Madrid y amigos del Máster, que supieron compartir su infinito conocimiento que aportaron grandemente en mi formación profesional.. A todos, muchas gracias. Nóvaro. Agradecer al Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas - CEDEX (Ministerio de Fomento), por los ensayos quı́micos de fluorescencia de rayos X.. v.
(10) Dedicado a: A mi Madre y mi Familia. vi.
(11) Índice general Abstract/Resumen. I. Agradecimientos. V. Lista de figuras. IX. Lista de tablas. XI. 1. Introducción 1.1. Motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Organización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 1 2 3. 2. Inyecciones y Control de Cemento en Suelos 2.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Inyección de Suelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Métodos de Inyección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Inyecciones de impregnación . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Inyección de fracturación (claquage) . . . . . . . . . 2.3.3. Inyección de compactación . . . . . . . . . . . . . 2.3.4. Inyección de alta presión (jet - Grouting) . . . . . . 2.4. Morteros de Inyección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1. Morteros lı́quidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2. Morteros de suspensión inestable . . . . . . . . . . 2.4.3. Morteros de suspensión estable . . . . . . . . . . . 2.5. Cemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Ensayos de Control en las inyecciones. . . . . . . . . . . . 2.7. Propiedades Geotécnicas del suelo . . . . . . . . . . . . . . 2.7.1. Clasificación de los suelos . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2. Permeabilidad en los suelos . . . . . . . . . . . . . 2.7.3. Esfuerzo efectivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.4. Resistencia al corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8. Caracterı́sticas fı́sicas y mecánicas de los medios inyectados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4 4 5 7 8 9 11 13 15 15 15 16 17 18 19 20 23 24 24 24. 3. Ensayos Quı́micos de Control de Cemento 3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Ensayo quı́mico de clasificación de pH . . . . . . . . . 3.2.1. Indicador de PH en disolución de fenolftaleı́na 3.2.2. Indicador de pH con pH-metro . . . . . . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. 27 27 28 28 29. vii. . . . .. . . . .. . . . ..
(12) 3.3. Contenido de residuos insoluble . . . . . 3.4. Ensayo de fluorescencia de rayos X . . . 3.5. Metodologı́a para evaluar el contenido de 3.5.1. Contenido de cemento . . . . . .. . . . . . . . . . . . . cemento. . . . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. 30 30 31 32. 4. Campaña Experimental 4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Descripción y localización del suelo obtenido . . . . . . . . . . . . . 4.3. Clasificación de suelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1. Granulometrı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. Plasticidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3. Clasificación del suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Elaboración de muestra de suelo con contenido cemento . . . . . . . 4.4.1. Muestra de suelo con 5 % de contenido de cemento . . . . . 4.4.2. Muestra de suelo con 10 % de contenido de cemento . . . . . 4.5. Ensayo de corte directo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1. Consolidación de las muestra de suelo . . . . . . . . . . . . . 4.5.2. Ensayo de corte del suelo en estado natural. . . . . . . . . . 4.5.3. Ensayo de corte de muestra de suelo con 5 % de contenido de cemento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.4. Ensayo de corte de muestra de suelo con 10 % de contenido de cemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6. Ensayos de fluorescencia de rayos X . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.1. Concentraciones de los elementos quı́micos mediante WD-XRF 4.6.2. Cálculo de contenido de cemento . . . . . . . . . . . . . . .. 35 35 35 37 38 43 46 48 48 50 52 55 59. 5. Conclusiones. 84. Bibliografı́a. 86. viii. 64 68 74 76 78.
(13) Índice de figuras 2.1. Campo de aplicación de la mejora del suelo de acuerdo al tipo de suelo (Mitchell, 1981) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Limites de penetrabilidad de los morteros basados e la permeabilidad del medio (Cambefort, 1968). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Esquemas de algunas técnicas de inyecciones. (ROM 5.05) . . . . . . . . 2.4. Esquemas impregnación con tubo manguito en el terreno (imagen de Tecnosuelo). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Inyección por fracturación hidráulica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Equipo para la inyección con tubos manquito . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Esquema de inyección por compactación ([24]) . . . . . . . . . . . . . . 2.8. Sección tı́pica de la ejecución del metro de Bolton Hill en Baltimore. EE.UU. ([24]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9. Fases de inyeccion de compactación (Keller.com.mx) . . . . . . . . . 2.10. Proceso del Jet Grouting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.11. Clasificación de los suelos según su distribución granulometrica (Ing. geológica. A. Vallejo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12. Carta de plasticidad de Casagrande . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.13. Fuente: EuroSoilStab [38] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20 21 26. 3.1. Tonalidades de fenolftaleı́na en muestras de hormigón . . . . . . . . . . 3.2. pH metro de laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Esquema de la emisión de la radiación de fluorescencia de rayos X[26]. .. 29 29 31. 4.1. Sección tipo cuerpo de presa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Ubicación de la presa L’Algabes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Localización de la presa L’Algabes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Sacos con muestra de suelo de la presa L’Algabes . . . . . . . . . . . . 4.5. Muestra de suelo para ensayo de granulometrı́a. . . . . . . . . . . . . . 4.6. Granulometrı́a por tamizado de suelo (Elaboración propia) . . . . . . . 4.7. Fracción que pasa el tamiz de 2 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8. Preparación de muestra para granulometrı́a por sedimentación . . . . . 4.9. Lectura en el vástago del densimetro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10. Probetas con muestra de suelo y agua destilada. . . . . . . . . . . . . . 4.11. Granulometrı́a de suelo por sedimentación (Elaboración propia) . . . . . 4.12. Granulometrı́a de suelo por tamizado y sedimentación (Elaboración propia) 4.13. Muestra de suelo para plasticidad que pasa el tamiz 400 um . . . . . . . 4.14. Lı́mite plástico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.15. Cilindros de suelo en frascos para colocar en estufa. . . . . . . . . . . . 4.16. Cuchara de Casagrande. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36 36 37 37 38 39 40 40 41 41 42 42 43 44 44 45. ix. 6 7 8 9 10 11 12 12 13 14.
(14) 4.17. Porciones de muestra de suelo después de secado en estufa. . . . . . . . 45 4.18. Gráfico del lı́mite lı́quido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.19. Gráfico Tabla de sistema de clasificación AASHTO (Braja M. Das. Ingenierı́a Geotécnica) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.20. Clasificación del suelo por el método del SUCS . . . . . . . . . . . . . 47 4.21. Materiales para la elaboración de muestra de suelo-cemento. . . . . . . 48 4.22. Mezcla de suelo-cemento con 5 % de contenido de cemento. . . . . . . . 49 4.23. Elaboración de la muestra de suelo-cemento con 5 % de contenido de cemento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.24. Mezcla en seco de suelo-cemento con 10 % de contenido de cemento. . . 50 4.25. Muestra de suelo - cemento con 10 % de contenido de cemento. . . . . . 51 4.26. Muestras de suelo-cemento con 5 % y 10 % de contenido de cemento en peso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.27. Equipo de corte directo. Laboratorio de Geotécnia UPM. . . . . . . . . 53 4.28. Equipo de corte directo. Laboratorio de Geotécnia UPM. . . . . . . . . 54 4.29. Consolidación de muestra de suelo natural. . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.30. Gráfico de la deformación vertical y tiempo (Elaboración propia) . . . . 57 4.31. Gráfico de la deformación vertical y del tiempo (elaboración propia). . . 58 4.32. Equipo de corte circular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.33. Montado de muestra de suelo en la caja de corte. . . . . . . . . . . . . 60 4.34. Equipo de corte en marcha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.35. Muestra de suelo después del corte directo . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.36. Curva de corte de suelo natural. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.37. Curva intrinsica del suelo en estado natural. . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.38. Preparación de la muestra de suelo con 5 % de contenido de cemento. . . 65 4.39. Muestra de suelo-cemento después del ensayo de corte. . . . . . . . . . 65 4.40. Curva de corte de suelo con 5 % de contenido de cemento. . . . . . . . . 67 4.41. Curva intrinsica del suelo con 5 % de contenido de cemento. . . . . 68 4.42. Proceso de elaboración de la muestra de suelo-cemento para ser ensayado. 69 4.43. Muestras de suelo-cemento para determinar su humedad inicial. . . . . . 69 4.44. Curva de corte de suelo con 10 % de contenido de cemento (elaboración propia). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.45. Curva intrinsica del suelo con 10 % de contenido de cemento(elaboración propia). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.46. Comparación de curva intrinsica de los suelos ensayados(elaboración propia). 73 4.47. Muestras de material para el ensayo de fluorescencia de rayos X . . . . . 74 4.48. Elaboración de pastillas para muestras de elementos mayoritarios . . . . 75 4.49. Elaboración de pastillas, para muestras de elementos minoritarios . . . . 76 4.50. (a)Sistema de WD-XRF del laboratorio de Geotecnia (CEDEX). (b)Muestra en máquinas WD-XRF del laboratorio de Geotecnia (CEDEX) . . 76. x.
(15) Índice de tablas 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6.. Campo de aplicación de las técnicas de mejora del terreno (GCOC - 2009) Intervalos de parametros utilizados en los sistemas de jet grouting (PG-3) Diámetros más usuales de las columnas de Jet Grouting (GCOC) . . . . Productos de la familia de los cementos comunes (UNE-EN 197-1) . . . Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) . . . . . . . . . . Propiedades del estado de suelo en suelos finos y gruesos. (Ing. Geológica. A. Vallejo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Rango de coeficientes de permeabilidad hidráulica en suelos. . . . . . . 2.8. Incremento relativo de esfuerzo basado en pruebas de laboratorio en suelos nordicos tratados con diferentes aglomerantes [38] . . . . . . . . . . . .. 3.1. Valores de pH sometidos a diferentes medios acusos. [37] . . . . . . 3.2. Valores de elementos pesados en muestras referentes[12] . . . . . . . . . 4.1. Control de secado de muestra de suelo con 5 % de contenido de cemento (elaboración propia). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Control de secado de muestra de suelo con 10 % con contenido de cemento (elaboración propia). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Lecturas de consolidación del suelo natural (elaboración propia). . . . . 4.4. Lecturas de ensayo de corte del suelo natural (elaboración propia). . . . 4.5. Caracterı́sticas del suelo natural (elaboración propia). . . . . . . . . . . 4.6. Lecturas de ensayo de corte del suelo con 5 % de contenido de cemento (elaboración propia). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7. Caracterı́sticas del suelo con 5 % de contenido de cemento (elaboración propia). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8. Lecturas de ensayo de corte del suelo con 10 % de contenido de cemento (elaboración propia). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9. Caracterı́sticas del suelo con 10 % de contenido de cemento (elaboración propia). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10. Valores de los parámetros resistentes de corte(elaboración propia). . . . 4.11. Composición de los elementos de las muestras SN, M5, M10, C y Cf . . . 4.12. Concentración de los elementos preseleccionados . . . . . . . . . . . . . 4.13. Concentración de elementos preseleccionados en el cemento original y cemento fraguado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.14. Contenido de cemento en elementos preseleccionados . . . . . . . . . . 4.15. Contenido de cemento en elementos seleccionados . . . . . . . . . . . . 4.16. Elementos seleccionados para cálculo de contenido de cemento. . . . . . 4.17. Composición de los elementos de los materiales de según tipos de suelo tipos cemento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. xi. 6 14 14 18 22 23 23 25 28 32 50 51 56 62 63 66 67 70 71 73 77 78 79 80 80 81 82.
(16) Capı́tulo 1 Introducción 1.1.. Motivación. Las inyecciones de suelo es una de las técnicas más utilizada en la actualidad mejorando las propiedades de resistencia y permeabilidad. La técnica surge como una necesidad de construir obras civiles sobre terrenos blandos y deformables, a causa de la escasez de terrenos con propiedades mecánicas inadecuados por el rápido crecimiento y desarrollo de las ciudades. Este procedimiento data sus inicios a principios del siglo XIX en Francia, sin embargo la primera inyección realizada con mortero de cemento fue hecho por Bérigny en 1802.[14] En la actualidad existen diversos tipos de morteros de inyección como: conglomerantes hidráulicos, materiales arcillosos, arenas, fillers y diferentes gamas de productos quı́micos los cuales pueden ser inyectados por diferentes técnicas dependiendo del objetivo buscado y de las propiedades del suelo. En la actualidad la inyección de estos morteros se controlan durante y después de ejecutado el proyecto. Durante la ejecución se puede conocer la cantidad de cemento inyectado y después de ejecutado la inyección se puede conocer las nuevas propiedades del suelo tratado, mediante diversas técnicas como las prospecciones fı́sicas, los sondeos mecánicos. Con estas y otras técnicas se puede conocer la resistencia a compresión, resistencia al corte y las nuevas propiedades geotécnicas. Sin embargo no se puede conocer con precisión el comportamiento del flujo de la inyección en el medio y saber realmente si llega la cantidad de mortero deseada a los lugares marcados por el proyecto. Existe por lo tanto una incertidumbre del contenido real de cemento en las columnas inyectadas. Con la inquietud de conocer el contenido de cemento en las columnas, se han trabajado métodos[36] [12] con el fin de proporcionar de alguna forma el contenido de cemento mediante ensayos quı́micos. Este control quı́mico puede caracterizar cuantitativamente el contenido de cemento en suelo y serı́a un dato complementario e innovador a los métodos convencionales de control efectuados con el contraste antes y después de la inyección, mediante prospecciones y ensayos en laboratorio. Conociendo el contenido de cemento en las columnas se puede valorar el resultado de las inyecciones, ademas de servir como indicador del mejoramiento de las propie1.
(17) dades del terreno y estimar volúmenes reales contenidas en las columnas inyectadas y servir tanto a los ejecutores como a la administración. A los ejecutores servir como un parámetro de control y verificación del contenido de cemento en las columnas respecto a lo inyectado. Respecto a la administración, actualmente pagan por metro cúbico (m3 ) inyectados, en otros casos por metro (m) de longitud de tratamiento, además de considerar diferentes precios por metro cubico (m3 ) o por metro (m) de longitud, cuando el tratamiento afecta a distintas litologias[33]. Como ejemplo una columna de terreno consolidado mediante inyecciones de lechada de cemento con 300 kg/m de consumo medio, realizada mediante la técnica del tubo - manguito, puede llegar a tener un precio de 72,41 e, según el generador de precios de Cype ingenieros. Por lo tanto esto puede servir para un mejor criterio de control, medición y pago de las inyecciones a los ejecutores, sin dejar de lado la calidad del tratamiento.. 1.2.. Objetivos. El objetivo principal de este trabajo de fin de máster es analizar cuantitivamente el contenido de cemento - suelo en columnas de jet, mediante ensayos quı́micos de fluorescencia de rayos X. Con este ensayo se busca identificar patrones de elementos quı́micos en muestras de suelo inalterados, cemento y en muestras de suelo - cemento elaborados en laboratorio. Para lograr el objetivo principal de este trabajo se menciona los objetivos especı́ficos a desarrollar según la estructura del trabajo. Primeramente se realizó un trabajo de investigación con los siguientes objetivos. Estudiar el estado de arte en el área de inyecciones y control de cemento en suelos. Conocer la metodologı́a de los ensayos quı́micos para evaluar cuantitativamente el contenido de cemento - suelo. Conociendo el estado del arte del tema de trabajo, se ha realizado una campaña experimental en laboratorio con el propósito de: Elaborar muestras en laboratorio de suelo con 5 % y 10 % de contenido de cemento. Realizar ensayos de laboratorio de tipo quı́mico para conocer el contenido de cemento - suelo en muestras inalteradas, muestra con 5 % y 10 % de contenido de cemento. Obtener los parámetros de resistencia al corte de las muestras, a través del ensayo de corte directo. Evaluar el contenido de cemento - suelo obtenidos del ensayo quı́mico de fluorescencia de rayos X.. 2.
(18) 1.3.. Organización. Este trabajo esta dividido en cinco capı́tulos. En el primer capı́tulo se realiza una introducción del trabajo y los objetivos establecidos que se desean alcanzar. En el capı́tulo 2, titulado “Inyecciones y control de cemento en suelos”, se presenta una revisión del estado de arte el cual es un resumen sobre la evolución de las inyecciones en suelos, las técnicas y los tipos de morteros en las inyecciones que se realizan de acuerdo al objetivo del proyecto y al tipo de suelo existente. En el capı́tulo 3, titulado “Ensayos quı́micos de control de cemento”, se desarrolla la metodologı́a de los ensayos quı́micos para conocer la cantidad de cemento en suelo inyectado, dando énfasis al ensayo de fluorescencia de rayos X, con el cual se pretende conocer cuantitativamente el contenido de cemento. En el capı́tulo 4, titulado “Campaña Experimental”, sea realiza la caracterización del suelo, elaboración de las muestras de suelo - cemento dosificado con diferentes porcentajes de contenidos de cemento, el cual es llevado a secado a temperatura ambiente hasta obtener un peso constante. A las muestras obtenidas se realiza el ensayo de corte directo en el laboratorio de Geotecnia del Departamento de Ingenierı́a y Morfologı́a del Terreno de la Escuela de Caminos, Canales y Puertos para obtener los parámetros de resistencia al corte y el ensayo de fluorescencia de rayos X en los laboratorios de Geotecnia del CEDEX, para evaluar cuantitativamente el contenido de cemento. En el último capı́tulo después evaluar el comportamiento de las muestras de suelo cemento y en función del contenido de cemento, se menciona algunas conclusiones y contribuciones de este trabajo.. 3.
(19) Capı́tulo 2 Inyecciones y Control de Cemento en Suelos Este capı́tulo pretende ser una introducción teórica sobre las inyecciones y control de cemento en suelos, por lo cual es un resumen de la bibliografı́a revisada de diversos autores.. 2.1.. Introducción. En la actualidad es difı́cil concebir ciertas obras civiles sin utilizar algún tipo de tratamiento o mejora del terreno por el rápido desarrollo de estructuras como edificios, autopistas y ferrocarriles, lo que ha reducido la disponibilidad de terrenos con propiedades adecuadas a los proyectos, por lo que no se tiene otra alternativa de actuar sobre los suelos y realizar la mejora. Las inyecciones de suelos en la actualidad es un procedimiento de construcción muy utilizado por los ingenieros como una forma de mejorar las propiedades geotécnica de los terrenos. Estas consisten en la introducción a través de perforaciones productos capaces de mejorar las caracterı́sticas del medio modificando el estado tensional del suelo y por lo tanto su resistencia y permeabilidad El tratamiento mediante inyecciones depende de las caracterı́sticas del medio a tratar, ası́ como de las caracterı́sticas del producto de inyección y de como estos son introducidos en el medio. La distribución de las lechadas de inyección no se conoce con exactitud como se propaga en el terreno, por lo que es necesario realizar ensayos de control que nos permitan conocer las nuevas caracterı́sticas geotécnicas del suelo tratado. Estos ensayos se pueden realizar durante y post ejecución los cuales nos permiten conocer el resultado de las inyecciones. Además es importante mencionar que el conocimiento del contenido de cemento en el suelo tratado es un parámetro importante que relaciona estas nuevas caracterı́sticas geotécnicas, a mayor contenido de material inyectado, mejores resultados de los objetivos buscados en el proyecto ya sea de resistencia o impermeabilidad. Los comienzos de las inyecciones se fijan en Francia a principios del siglo XIX. Su inventor fué Berigny en 1802 quien inyectó con éxito morteros de cemento asociados con puzolanas[27], sin embargo las lechadas de cemento no se emplearon en inyeccio4.
(20) nes hasta 1876 por Thomas Hawksley[11]. Luego le secundaron algunos ingenieros como Mary, Charrie, Raynal y Beademculin. Ellos no pretendieron más que rellenar grandes oquedades inyectando únicamente morteros lı́quidos por gravedad. Pero el mayor impulso de las inyecciones fué en la década de 1920 a 1930, época en que la construcción de ferrocarriles dio paso a las obras hidráulicas[14]. En los siguientes apartados se pretende detallar los diferentes conceptos de los enunciados mencionados lineas arriba.. 2.2.. Inyección de Suelos. Actualmente el “Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes”del Ministerio de Fomento del Gobierno de España, define la inyección de suelo como la introducción en el terreno de una mezcla fluida que posteriormente fragua y endurece, para reducir su grado de permeabilidad y/o mejorar sus condiciones mecánicas. También (Cambert, 1968) establece que la inyección es un procedimiento de construcción que tiene por objeto impermeabilizar o consolidar los cuerpos sólidos porosos y permeables, tales como rocas fisuradas, arenas y gravas o aluviones. Para alcanzar estos resultados se rellenan los huecos con un producto liquido que se solidifica con el tiempo [14]. El liquido inyectado se conoce con el nombre de mortero de inyección, los cuales pueden ser conglomerados hidráulicos, materiales arcillosos, arenas y fillers, agua y productos quı́micos. El cemento es el componente mas utilizado en las inyecciones, el cual puede ir acompañado por diversos productos. Las inyecciones tiene por objeto fundamental mejorar las caracterı́sticas mecánicas del medio, mejorando la resistencia al corte por el aumento de la cohesión, disminución de la deformabilidad, incremento de la resistencia, asi como la disminución de la permeabilidad. Estas pueden ser aplicadas en el tratamiento de las cimentaciones de presas, en el refuerzo de cimentaciones de edificios, recalces de edificios, asi como en la construcción de túneles. Uno de los ejemplos es la aplicación de las inyecciones mediante la técnica de jet grouting tipo 2 en la construcción del estadio del club de futbol “Krasnodar” en la ciudad de Kransodar en Rusia que fue inaugurado en Octubre de 2016, que después de aplicado la inyección de cemento de entre 600 a 900 kg de cemento, se realizaron pruebas de resistencia de suelo- cemento a los 7 y 14 dı́as dı́as de muestras obtenidas a diferentes profundidades, obteniendo valores medios de resistencia a compresión y módulos de deformación. Estas resistencias a compresión de suelo cemento fueron de entre 8 y 9 MPa para arenas y de 3,4 a 3,8 MPa en arcillas respecto a sus valores iniciales. En cuanto al modulo de deformación se obtuvieron valores de 60 a 80 MPa en comparación al suelo natural que estaba en el rango de 15 a 25 MPa [28]. Sin embargo estas inyecciones tienen sus limitaciones pues tiene un rango de aplicación de acuerdo al tipo de suelo aplicado como se puede ver en la figura (2.1) de acuerdo al método de inyección optado.. 5.
(21) Figura 2.1: Campo de aplicación de la mejora del suelo de acuerdo al tipo de suelo (Mitchell, 1981) Asimismo la “Guı́a de Cimentaciones en Obras de Carretera”del Ministerio de fomento, menciona sobre la aplicación de las inyecciones de acuerdo al tipo de suelo y las propiedades del suelo a mejorar como se puede observar en la tabla (2.1).. Tabla 2.1: Campo de aplicación de las técnicas de mejora del terreno (GCOC - 2009) 6.
(22) Por lo tanto, para realizar una inyección en suelos se debe tener en cuenta como parámetros, la granulometrı́a, porosidad, permeabilidad y las condiciones del agua subterranea, especialmente su composición quı́mica por si pueda afectar al producto de inyección y la velocidad de circulación, los cuales servirán para definir las caracterı́sticas del fluido a inyectar, asi como el método de inyección utilizado. Además es importante precisar la composición de lechada que se puede inyectar en cada tipo de aluvión, lo que debe guardar una relación entre las dimensiones de los granos del mortero y el medio a inyectar, por lo que existe en la bibliografı́a diferentes gráficos orientativos de los limites de inyectabilidad para distintos materiales granulares y distintas lechadas y otros como el del gráfico (2.2) en el cual se observa el limite de inyectabilidad de acuerdo a la permeabilidad del medio y los diámetros de los granos de lechada.. Figura 2.2: Limites de penetrabilidad de los morteros basados e la permeabilidad del medio (Cambefort, 1968).. Al tratarse de una inyección en el subsuelo, es una operación a “ciega”, por lo que se desconoce por donde fluye la mezcla, pues no se conoce realmente la red de fracturación por el cual se desplaza el fluido, por lo que existe una incertidumbre de la correcta operación, por lo que se realiza normalmente después de las inyecciones como una forma de control la extracción de testigos para su posterior evaluación y comprobar los resultados de la inyección.. 2.3.. Métodos de Inyección. Debido a la heterogeneidad y comportamiento del terreno, existen diferentes métodos de inyección. Ası́ las técnicas de inyección más usuales según la ROM 0.5-05, son las Inyecciones de impregnación, Inyecciones por tubos manguito (Claquage), Inyecciones de compactación (Compactión-Grouting) y las inyecciones de alta presión (Jet Grouting), aunque también se están utilizando actualmente otras técnicas 7.
(23) de super jet grouting que alcanzan radios de inyección mayores al del jet grouting normal. Los esquemas de las diferente técnicas se puede observar en la figura (2.3). Asimismo la Guı́a de Cimentaciones en obras de carretera, describe las técnicas mas usuales para la introducción en el terreno de materiales inyectables las técnicas de impregnación, fracturación hidraulica, compactación y jet grouting, cada uno de acuerdo a las necesidades de tratamiento del terreno, que son iguales a la clasificación de la ROM 0.5 - 05.. Figura 2.3: Esquemas de algunas técnicas de inyecciones. (ROM 5.05) El Pliego General de Prescripciones también contempla como tipos de inyección, la impregnación, relleno de fisuras, relleno de huecos, compactación y fracturación hidrúalica, que son similares a las ya mencionadas por la ROM y la GCOC. Cada uno de los tipos de inyecciones tienen diferentes aplicaciones según el medio a tratar y según los objetivos del proyecto. A continuación se describe las diferente técnicas, asi como sus aplicaciones y algunas ventajas y desventajas.. 2.3.1.. Inyecciones de impregnación. La inyección por impregnación consiste en la introducción del fluido en las fracturas de la roca o por los poros en en el suelo, regulando la presión y caudal de la mezcla que impregnan los vacios sin producir alteraciones en sus estructura natural. Como cualquier técnica de inyección es necesario realizar sondeos que permitan alcanzar la zona a tratar y la preparación de mezclas de inyección con las carac8.
(24) terı́sticas de fluidez y viscosidad adecuadas. En la técnica tradicional se usa una mezcla de agua-cemento los suficientemente fluida y con granulometrı́a adecuada para que penetre en los poros del suelo. Utilizando cementos especialmente finos se han llegado a rellenar de lechada los poros de arenas más finas ( K = 10−2 cm/s) y para suelos aun más finos con permeabilidades de K = 10−2 a 10−4 cm/s se puede inyectar sin romper el suelo utilizando otros productos como silicatos, resinas, etc. de mayor valor de penetración, sin embargo lo recomendable es utilizar esta técnica en terrenos granulares con un bajo contenido de finos. Las mezclas de inyección utilizados pueden ser de cemento Portland, micro-cementos, cenizas volantes, arcilla y agua o soluciones quı́micas como silicatos, acrilamidas, lignosulfatos y resinas. las inyecciones se suele realizar con espaciamientos cortos de 1 a 3 m, si se quiere conseguir cierta estanqueidad. La permemabilidad de los terrenos tratados pueden resultar bastante baja, del orden de 10−5 cm/s. La resistencia del terreno y su deformabilidad quedan mejoradas con estos tratamientos de inyecciones de impregnacion [20]. Con este tipo de inyección lo que se busca es, disminuir la porosidad del terreno aumentando ası́ su comportamiento impermeable, por lo que es empleado habitualmente como mejora de la impermeabilidad del terreno. Este tratamiento no resulta eficaz en suelos cohesivos. En la Figura (2.4) se tiene un gráfico de la impregnación de una mezcla en el terreno,en el cual se observa la forma de inyección con esta técnica.. Figura 2.4: Esquemas impregnación con tubo manguito en el terreno (imagen de Tecnosuelo).. 2.3.2.. Inyección de fracturación (claquage). Es un método de inyección con desplazamiento de terreno en el que se trata de introducir en el suelo, sin impregnarlo ni fracturarlo una mezcla de inyección que tenga un ángulo de rozamiento interno elevado. La presión de inyección debe ser superior a la resistencia a tracción del terreno más su presión de confinamiento, de tal forma que inician y propagan nuevas fracturas en el terreno por la que penetra la lechada quedando el terreno reforzado por lajas de inyección. Se introducen mezclas y masas muy viscosas, espesas y gruesas (mortero de cemento y arena espeso) que provocan: primero la compresión del terreno flojo y después su desplazamiento controlado. Pueden precisar presiones muy elevadas en el rango de 9.
(25) 40 - 60 bares, su movilidad y alcance es limitado en el entorno de 1 - 2 m. El proceso de inyección consiste en alcanzar la profundidad de proyecto con el taladro e inyectar a presión desde el fondo un mortero seco pero a la vez bombeable, levantando la tuberı́a, que normalmente es la misma de perforación, en tramos de 0.30 a 0.60 m. De esta forma se van superponiendo bulbos de mortero seco hasta alcanzar el nivel requerido. En la figura 2.5 se muestra una inyección por fracturación hidráulica.. Figura 2.5: Inyección por fracturación hidráulica Esta técnica se ha aplicado con éxito en operaciones de recalce de edificos cimentados en losa. Con esta tipologı́a de cimentación se han realizado levantamientos controlados de cimentaciones[34]. La inyección por fracturación hidráulica normalmente se realiza aplicando la tecnologı́a conocida como tubo - manguito. El procedimiento de inyección de los tubos manguito se realiza después de lavar el tubo provisional de la perforación y se introduce el tubo de manguito, el cual esta constituido por un tubo de hierro negro de 50 a 600mm de diámetro el cual tiene 4 orificios distribuidas a 90o y separadas cada 30 a 50 cm entre secciones como se muestra en la figura 2.6. En cada grupo de orificios esta cubierto por un manguito de hule que actúa como válvula de tal forma que el mortero de inyección puede salir pero no entrar del tubo. Mientras se retira el tubo provisional de la perforación se rellena el espacio anular que queda entre el terreno y el tubo de manguito. Para la inyección se tiene que romper la vaina en la parte donde se encuentra los manguitos, esta operación se realiza inyectando mortero o agua a presión aislando un tramo del tubo de manguitos por medio de obturadores opuestos. La presión de rotura de la vaina suele ser variable, dependiendo generalmente de la composición de la vaina y de las condiciones del terreno. Por lo general las fracturas hidraúlicas se pueden realizar a profundidades de entre 1,5 m a 20 m.. 10.
(26) Figura 2.6: Equipo para la inyección con tubos manquito Las consecuencia de la fracturación del terreno normalmente serán mı́nimas pero no son fáciles de acotar. Estos y otros argumentos hacen que las inyecciones de fracturación puedan ser poco aconsejables en terrenos cuya estabilidad natural sea precaria. Su uso debe quedar bien justificado y su aplicación supervisada por técnicos especializados.[20]. Los inconvenientes que presenta este método es que la fractura puede abrir nuevas vı́as para la propagación no deseada de contaminantes por lo que, la localización final de las nuevas fracturas no es controlable. La fracturación no es recomendable para suelos perturbados o material de relleno y es recomendable no utilizar esta tecnologı́a en zonas de alta actividad sı́smica. 2.3.3.. Inyección de compactación. Esta técnica fue desarrollado en los Estados Unidos de América en los años 50 [24]. Y a partir de los años 90 ha sido cada vez mas empleada en Europa. Consiste en forzar un mortero de cemento y arena de consistencia espesa en el fondo de un taladro vertical como se observa en la figura 2.7, obligando al terreno a desplazarse y reducir su volumen. La consistencia de la mezcla debe tener un slump de 0 a 2 ”para que pueda ser desplazado el suelo. El componente de la lechada de compactación puede ser una arena limosa de 10 a 30 % que pasa el tamiz No 200, cemento, fluidificadores, acelerador y agua.. 11.
(27) Figura 2.7: Esquema de inyección por compactación ([24]) Normalmente estas inyecciones se realizan para reducir lo asientos de superficie que provocan las excavaciones de los túneles, por ello, en tales casos se suelen denominar también inyecciones de compensación. Tienen también la aplicación en la solución de ciertas patologı́as de cimentación como los recalces [20] . Una aplicación de esta técnica se realizó en el metro de Bolton Hill en Baltimore, Maryland, EE.UU. En la figura 2.8 se muestra la sección tı́pica del subterráneo y las zonas de inyección. En españa se tiene muchos casos de aplicación de esta técnica, como la realizada en la urbanización Montealto, rincon de la Victoria en Malaga, para controlar los asientos diferenciales que estaba presentando la estructura. Asimismo se ha aplicado esta técnica en la obra del acceso ferroviario a la Estación de Sants en Barcelona, donde se aplicó tanto en obra nueva como de recalce de obras existentes con diferentes patologı́as geotécnicas.. Figura 2.8: Sección tı́pica de la ejecución del metro de Bolton Hill en Baltimore. EE.UU. ([24]). 12.
(28) El fundamento de esta técnica reside en la densificación del suelo al introducir en él una masa viscosa a presión media. En ningún momento se pretende que el producto inyectado penetre entre los poros del terreno o lo fracture. Sólo se busca su compactación para conseguir el aumento de su resistencia mecánica y disminuir su deformabilidad. Las fases de ejecución de este tipo de inyección se resumen en la figura 2.9. Figura 2.9: Fases de inyeccion de compactación (Keller.com.mx). 2.3.4.. Inyección de alta presión (jet - Grouting). El jet grouting es una técnica de inyección de suelos desarrollada en Japón en los años 70. En 1979 se introduce en Alemania y Estados Unidos, a partir del cual la técnica es asumida por las principales constructoras en todos los paises. El PG-3, en su artı́culo 677 define el jet grouting como un proceso de desagregación del suelo, mezclandolo y parcialmente sustituyendolo por un agente cementante. La desagregación se consigue mediante un fluido con alta energı́a que puede incluir el propio agente cementante. Se consideran cuatro sistemas de de jet grouting. El sistema de fluido único, que consiste en utilizar un único fluido que generalmente es una lechada de cemento a alta presión. El sistema de doble tipo 2A, cuando la desagregación y cementación se realiza por un fluido, normalmente lechada de cemento y por un chorro de aire a presión que actúa como segundo fluido. El sistema de doble fluido tipo 2B, cuando la desagregación del suelo se obtiene por un chorro de agua a alta presión, utilizando como segundo fluido una lechada para conseguir la cementación y, el sistema de triple fluido que se compone por un chorro de agua a alta presión, asistido por un chorro de aire que actúa como segundo fluido y como tercer fluido una lechada para conseguir la cementación[33]. El tratamiento del terreno se realiza de menor a mayor cota. Primero se introduce el útil de la inyección hasta la profundidad deseada mediante una perforación previa y después se extrae a la velocidad conveniente, rompiendo el suelo y mezclándolo con la lechada. La cantidad de lechada a mezclar con el suelo se puede controlar mediante la velocidad de extracción del útil de jet-grouting. En la figura 2.10 se observa un proceso tı́pico del inyección por jet grouting.. 13.
(29) Figura 2.10: Proceso del Jet Grouting Los parámetros de trabajo normalmente utilizados para los distintos sistemas de jet grouting se encuentran comprendidos en los intervalos mostrados en la tabla 2.2 recomendados por el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras y Puentes (PG-3). Con esta técnica se puede lograr columnas de suelo de hasta 3 m de diámetro. Los diámetros usuales de las columnas se encuentras dentro del siguiente rango: ver tabla 2.3.. Tabla 2.2: Intervalos de parametros utilizados en los sistemas de jet grouting (PG-3). Tabla 2.3: Diámetros más usuales de las columnas de Jet Grouting (GCOC) El procedimiento es aplicable a cualquier tipo de terreno blando, excepto, a los excesivamente permeables,a los que contienen grandes bolos o gravas muy limpias, en los que es preciso un tratamiento de cierre previo al jet - grouting. La resistencia de la columna dependiendo de la riqueza de lechada y sobre todo del tipo de terreno pueden alcanzar resistencias a compresión a 28 dı́as del orden de 1 a 4 MPa en limos y arcillas, y de 2 a 10 MPa en suelos granulares, aproximadamente [20].. 14.
(30) 2.4.. Morteros de Inyección. Los diferentes materiales de morteros de inyección se pueden clasificar en tres categorı́as principales[14]: 1. Lı́quidas. 2. Suspensiones inestables. 3. Suspensiones estables. Las distintas categorı́as de morteros pueden ser utilizados tanto para una impermeabilización como para una consolidación de suelo.. 2.4.1.. Morteros lı́quidos. Este material contiene partı́culas pequeñas difı́cilmente medibles que generalmente se los denomina inyecciones quı́micas[22] los cuales son: Geles duros. – A base de silicato de sodio – Mezcla de un lignosulfito y bentonita Geles plásticos. – A base de silicato de sodio y bentonita desfloculada. – Geles de bentonita, arcilla o cemento. – Resinas orgánicas. – Monómeros acuosos, polimeros precondensados. Estos morteros lı́quidos son capaces de penetrar en todos los huecos por donde el agua pueda discurrir. Este tipo de inyecciones no son aplicables a terrenos compuestos por arcillas y limos con poros demasiados pequeños. Igualmente si el terreno a inyectar tiene poros demasiado grandes y el mortero tiene demasiada viscosidad, la inyección es igualmente imposible[14].. 2.4.2.. Morteros de suspensión inestable. Los morteros de suspensión inestable son aquellas donde las partı́culas sólo se mantiene en disolución cuando se les aplica una energı́a de agitación, si esta cesa, los granos no se sedimentan, como es el caso del cemento que aunque la suspensión se mueva en una corriente. El cemento, al sedimentarse, tapa los poros y la inyección se obstaculiza. Para que una inyección a base de mortero inestable sea lo menos dificultoso, el tamaño mı́nimo de las partı́culas del terreno debe de estar comprendido entre 5 y 10 mm [22]. Entre los morteros inestables se tiene los siguientes:. 15.
(31) Suspensiones de cemento puro, formuladas con una relación de cemento/agua en peso comprendida entre los siguiente valores. 1 C 1 ≥ ≥ 2 A 10. (2.1). Suspensiones de cemento rebajado: se sustituye parte del cemento por un polvo inerte como puede ser arena fina, cenizas volantes o tierra de Kieselghur .. 2.4.3.. Morteros de suspensión estable. Son morteros en los que no se produce sedimentación durante el proceso de inyección y tampoco se produce un efecto bóveda al llegar a los intersticios del terreno. Entre los morteros estables, se puede mencionar los siguiente tipos[22]: Bentonita-cemento. La relación cemento/agua dosificada en peso, varı́a de 1 a 2 para un 2 % de bentonita. El rango de oscilación va de 1 a 1,7 para un 4 % de bentonita. Con el 2 % de bentonita, la sedimentación es nula para C/A ≤ 1,4. Si se utiliza el 4 % de bentonita la decantación es nula. Cemento - silicato La dosificación por litro de mortero depende de la clase de mortero de modo que se establece la siguiente correspondencia: – Mortero 1/1:10 a 20 cm3 /l. – Mortero 1,5/1:5 a 10 cm3 /l. – Mortero 2/1:2 a 5 cm3 /l. Cemento - bentonita-silicato. Cemento activado. Se emplena morteros con dosificaciones muy altas (2/1, 2/1 y 3/1) en los que se consigue que no haya sedimentación usando métodos de dispersión por vı́a quı́mica, fı́sica o mecánica. Suspensión de arcilla. la arcilla que se inyecta debe presentar un lı́mite lı́quido LL superior a 60. En caso de que no se alcance este valor se deben añadir coloides. Arcilla - Cemento. Arcilla-cemento-arena.. 16.
(32) 2.5.. Cemento. El cemento es un conglomerante hidraúlico que amasado con agua forma una pasta que fragua y endurece por medio de reacciones y procesos de hidratación y que una vez endurecido conserva sus resistencia y estabilidad incluso bajo el agua[8]. El cemento es el elemento más utilizado en una mezcla inyectable por sus propiedades de adherencia y cohesión. El cemento es más barato que cualquier otra lechada quı́mica y proporcional a altas resistencias. Tiene la desventaja de tener una ganancia de resistencia lenta y el tamaño de partı́cula que impide la penetración en suelos cuyo coeficiente de permeabilidad es inferior a 101/2 mm/s [11]. Los granos del cemento son cristalino y contienen cuatro componentes quı́mico principales que son: Silicato tricálcico (SC3 ). Es el principal responsable de las resistencias del cemento. En una semana desarrolla sus resistencia. Silicato bicálcico (SC2 ). Componente metaestable que proporciona poca resistencia en los primeros dı́as, pero que las desarrolla con el tiempo hasta alcanzar las proporcionadas por el (SC3 ). Aluminato tricálcico (C3 A). Actúa como catalizador. Contribuye a las resistencias iniciales. Su hidratación en contacto con el agua es muy rápida y desarrolla un elevado calor de hidratación, 866 kJ/kg (207 cal/gr). Para retrasar su actividad se añade un regulador de fraguado, que normalmente es yeso. Los cementos con alto contenido de C3 A dan lugar a pastas, morteros y hormigones muy sensibles al ataque por sulfatos y otros agentes agresivos. Ferrito aluminato tetracálcico (C4 AF ). Influye poco en la resistencia. Actúa como fundente en el horno y a el se debe el color gris verdoso del cemento. En cementos blancos su contenido debe ser menor del 0.5 %. Cuando se agrega al cemento, los compuestos básicos presentes se transforman en nuevos compuestos por reacciones quı́micas que son: C2 S : 2(2CaO.SiO2 ) + 4H2 O −→ 3CaO.2SiO2 .3H2 O + Ca(OH)2. (2.2). C3 S : 2(3CaO.SiO2 ) + 6H2 O −→ 3CaO.2SiO2 .3H2 O + 3Ca(OH)2. (2.3). En las ecuaciones (2.2) y (2.3) donde intervienen los silicatos de calcio, que constituyen alrededor del 75 % por peso del cemento Pórtland, reaccionan con el agua para producir dos nuevos compuestos: gel de tobermorita el cual es no-cristalino e hidróxido de calcio que es cristalino. En la pasta de cemento completamente hidratada, el hidróxido de calcio constituye el 25 % del peso y el gel de tobermorita, alrededor del 50 %. Las partı́culas del cemento son pequeñas respecto al agregado grueso y fino. Su estructura es la de una pasta de cemento llena de particulas inertes más grandes. La interacción entre los crecimientos del gel de tobermorita y por lo tanto la resistencia de la mezcla en cualquier instante, esta determinada por la distancia entre las partı́culas de cemento, y está a su vez está gobernada por la cantidad de agua que 17.
(33) las separa, es decir por la relación agua-cemento. Las lechadas de cemento y agua, se inyectan a una alta relación agua - cemento. Cuando las partı́culas de cemento quedan atrapadas, el exceso de agua suele ser capaz de escapar por permeación de los poros o fisuras, y una pasta de cemento con una realación de agua - cemento baja tiene mayor dificultad de pasar por los poros o fisuras. El cemento que se utilice para la elaboración de mezclas de inyección requiere unas caracterı́sticas mı́nimas y que los parámetros especificados sean los de la normas. La norma UNE-EN 197-1 establece estas caracterı́sticas. En la tabla 2.4 se tiene los diferentes productos de familias de cementos con sus respectivos contenido de componentes, según la Norma mencionada.. Tabla 2.4: Productos de la familia de los cementos comunes (UNE-EN 197-1). 2.6.. Ensayos de Control en las inyecciones.. Cuando se realiza una inyección de suelo se fija claramente los objetivos del mejoramiento del terreno, ya sea, la de impermeabilización, compensación de asientos o la mejora de la resistencia, los cuales deben ser controlados antes, durante y después de terminado las inyecciones a través de diversos ensayos, ya sea de campo o de laboratorio. Para las técnicas de inyección realizados con cemento, el control de calidad se centra en la calidad de los materiales que se utilizan, ası́ como en el proceso de mezcla o bombeo. Ası́, previo a la inyección, la mezcla de lechada de cemento se prueba 18.
(34) su viscosidad y densidad usando un hidrómetro y cono de Marsh respectivamente. El proceso de instalación de los equipos también son supervisados cuidadosamente. Los parámetros clave como el caudal, la presión y el volumen total inyectado son cuidadosamente monitoreados, casi siempre automáticamente. Las pruebas posteriores a la construcción son de gran valor. Estos controles posteriores son importantes en primer lugar para asegurar al cliente el producto que recibe es de alta calidad y por lo tanto garantizar la seguridad pública[35]. Los ensayos y los métodos de ensayos dependen de la aplicación y de los requisitos funcionales, ası́ por ejemplo para la reducción de asientos es necesario realizar un ensayo para conocer el valor del módulo de elasticidad, mientras que el valor de la resistencia es de interés para la mejora de la estabilidad y la eliminación del riesgo de la rotura. Al respecto la norma UNE-EN 14679 menciona algunos ensayos mı́nimos a realizar como parte del control de calidad. Las caracterı́sticas resistentes y el módulo elástico de las muestras se suelen determinar con ensayos de compresión simple. Si existe fisuras en las muestras es preferible realizar ensayo triaxial. El módulo de compresión de las muestras se determina con ensayos edométricos. Los ensayos de conductividad hidráulica requieren unos equipos especiales, pues no existe un equipo estandar. Sin embargo, se puede estimar la permeabilidad realizando una análisis regresivo a partir del valor de consolidación determinado en los ensayos edométricos [7]. Algunos ensayos pueden ser correlacionados para conocer el resto de las nuevas propiedades del suelo. Asimismo la comprobación de la resistencia mecánica de los suelos inyectados, se puede hacer realizando ensayos con penetrométricos estáticos, ensayos dinámicos S.P.T, Borros o mediantes ensayos presiométricos[22]. También existen otros ensayos como la de tomografı́a eléctrica que sirve para determinar la distribución real de la resistividad del subsuelo y respuesta a ondas superficiales. Todas estas deberı́an practicarse antes y después del tratamiento del terreno a fin de obtener parámetros comparativos. A través de las muestras de laboratorio del suelo mezclado existe la posibilidad de estudiar que cantidad, tipo o combinación de ligante contiene las muestras obtenidos después de ejecutado la inyección. Para conocer estos, es necesario obtener testigos. El número de muestras depende del tamaño y complejidad del proyecto. La norma UNE-EN 14679 recomienda como mı́nimo tres probetas, ademas advierte que la alteración de las muestras influye en sus caracterı́sticas, por lo que se deberı́a complementar el ensayo de probetas con otros ensayos.. 2.7.. Propiedades Geotécnicas del suelo. Para una adecuada inyección de suelo es imprescindible realizar antes un buen estudio del suelo en en lugar donde se realizará la inyección para conocer las caracterı́sticas y tomar la decisión correcta en el diseño ya sea de la mezcla de mortero o del proyecto en sı́. Por lo tanto el objetivo es identificar y conocer las caracterı́sticas del suelo, asi como la posibilidad de identificar algún obstáculo en el lugar del proyecto. A continuación se describe las propiedades mas relevantes del suelo, las cuales deben tenerse en cuenta antes de una intervención. 19.
(35) 2.7.1.. Clasificación de los suelos. Para estudiar y conocer a profundidad el suelo se necesitan caracterizarlos y clasificarlos. Existen diversas normas americanas y europeas que clasifican los suelos, con el fin de que todos tengamos un mismo lenguaje y saber a que nos referimos cuando tenemos unas caracterı́sticas especificas del suelo, es asi que para clasificarlos existen las normas DIN, ASTM, AENOR, etc. Para la clasificación del suelo se realizan pruebas, donde se determinan entre otros, los siguientes parámetros como: Lı́mite liquido, Lı́mite plástico, Índice de Plasticidad, contenido orgánico, contenido de agua, densidad, distribución granulométrica, etc. Granulometrı́a Los suelos se han clasificado en cuatro grupos en función de su granulometrı́a, las gravas, arenas, limos y arcillas. Las gravas tienen granos entre 8-10 cm a 2mm, cuyas caracterı́sticas principales son que sus granos son observables y no retienen el agua por sus grandes huecos que tiene entre partı́culas. Las arenas tiene partı́culas de 2mm a 0.06mm, que todavı́a pueden ser observables a simple vista, cuya caracterı́stica es que al contacto con el agua se pueden separar de ella con facilidad. Los limos tienen partı́culas comprendidas entre 0,06mm a 0,02mm, cuya caracterı́stica es de retener el agua mucho mejor que las partı́culas superiores. Y la arcilla cuyas partı́culas son inferiores a 0,02mm, cuya propiedad principal es de tener capacidad mayor de retener el agua, por lo que son generalmente los materiales más problemáticos. Cada uno de estos tipos tienen sus caracterı́sticas geotécnicas propias. En el siguiente gráfico se puede observar la clasificación de suelos suelos según su distribución granulometrica[25].. Figura 2.11: Clasificación de los suelos según su distribución granulometrica (Ing. geológica. A. Vallejo). 20.
(36) Plasticidad Se define la consistencia del suelo en función del contenido de agua a través de la determinación de la humedad. A este respecto Atterberg definió tres lı́mites, el de retracción que separa el estado de sólido seco y el semisólido, el lı́mite plástico, que separa el estado semisólido del plástico y el lı́mite lı́quido, que separa el estado plástico del semilı́quido. Estos dos últimos son los más usados en la práctica. Una vez determinados el lı́mite plástico y el lı́mite lı́quido, se puede obtener el ı́ndice de plasticidad que es la diferencia entre el lı́mite lı́quido y el lı́mite plástico. Arthur Casagrande definió que los suelos con lı́mite lı́quido mayores a 50 son de alta plasticidad y menores a ello de baja plasticidad[25]. Es decir los de alta plásticidad admiten mucha agua, pudiendo el suelo experimentar grandes deformaciones plásticas. Casagrande elaboró una carta de plasticidad como se muestra en la figura 2.12, donde se representa el punto con los valores de lı́mite lı́quido e ı́ndice de plasticidad y se define una clasificación para completar la identificación de un suelo.. Figura 2.12: Carta de plasticidad de Casagrande Casagrande completó este sistema de identificación con datos de granulometrı́a y definió el sistema unificado de clasificación de suelos (SUCS), el cual se representa en la tabla 2.5.. 21.
(37) Tabla 2.5: Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) Estado del suelo Para definir el estado del suelo es necesario conocer unos ı́ndices, la porosidad (n), y el ı́ndice de poros o huecos (e). El ı́ndice de huecos varı́a entre 0,30 y 1,30, aunque en suelo muy flojos puede llegar a tener mas de 3. Este ı́ndice nos indica cuan deformable es el terreno, cuanto mayor el ı́ndice de huecos, mayor es la deformabilidad. Para estimar la concentración relativa de sólidos y agua se utilizan varios parámeteros como: el peso especifico de párticulas (G), peso especifico aparente seco (γd ), peso especı́fico aparente saturado (γsat ), peso especı́fico aparente (γap ), peso especı́fico del agua (γw ), humedad (W ) y grado de saturación (Sr ). En la tabla 2.6 se tiene algunos valores de estos parámetros, el cuál nos puede dar una idea del tipo suelo para su identificación.. 22.
(38) Tabla 2.6: Propiedades del estado de suelo en suelos finos y gruesos. (Ing. Geológica. A. Vallejo). 2.7.2.. Permeabilidad en los suelos. El agua fluye a través de los espacios vacı́os entre las partı́culas del suelo. Por lo tanto es importante conocer cuánta agua fluye a través de este en un tiempo determinado. entonces se define un coeficiente de permeabilidad de un suelo como un parámetro que mide la “facilidad para que el agua fluya a través del suelo”. Esta permeabilidad depende de varios factores como la granulometrı́a, relación de vacı́os, distribución granulométrica, rugosidad de las partı́culas y grado de saturación del suelo. Las permeabilidad se mide en unidades de velocidad (m/s, m/d, cm/s). Es un parámetro hidráulico que registra variaciones en función del tipo de suelo. En la tabla 2.7 se muestra de manera orientativa valores de permeabilidad para diferentes tipos de suelo[25].. Tabla 2.7: Rango de coeficientes de permeabilidad hidráulica en suelos. 23.
(39) 2.7.3.. Esfuerzo efectivo. En un volumen de suelo, las partı́culas están distribuidas al azar con espacios vacı́os entre ellas. Estos espacios son ocupados por agua, aire o ambos. Para analizar los problemas de compresibilidad, capacidad de carga de cimentaciones, estabilidad de terraplenes y presiones laterales sobre estructuras de contención, se necesita conocer la naturaleza de la distribución de los esfuerzos a lo largo de una sección transversal, para conocer el esfuerzo normal a una profundidad dada en una masa de suelo es tomada por el agua en los espacios vacı́os y cuál es tomada por la parte solida en los puntos de contacto de las partı́culas del suelo. Esto se denomina esfuerzo efectivo.. 2.7.4.. Resistencia al corte. La resistencia al corte de una masa de suelo es la resistencia interna por área unitaria que la masa de suelo ofrece para resistir la falla y el deslizamiento a lo largo de cualquier plano dentro de él[13]. La resistencia al corte, τ , de un suelo en términos del esfuerzo efectivo se define: τ = c + σ 0 tanφ. (2.4). donde: σ 0 = esfuerzo normal efectivo en el plano de corte. c = cohesión, o cohesión aparente. φ = ángulo de fricción. La ecuación 2.4, se conoce como el criterio de falla de Mohor - Coulumb y representa una recta en el espacio. El valor de c para arenas y arcillas normalmente consolidada es igual a cero. Para arcillas sobreconsolidadas, c > 0. Para la mayorı́a de los trabajos, los parámetros de la resistencia al corte de un suelo son determinados por medio de dos pruebas de laboratorio, como la prueba de corte directo y la prueba triaxial.. 2.8.. Caracterı́sticas fı́sicas y mecánicas de los medios inyectados. Una inyección de suelo, solo puede ser satisfactoria si, después del fraguado del mortero, se logra el objetivo trazado. Es decir, una consolidación de suelo debe mejorar la resistencia mecánica y la estanqueidad y su permeabilidad[14]. Las propiedades de suelo estabilizado dependen del tipo de mortero utilizado y las propiedades de un suelo inyectado no pueden ser predecidas con fiabilidad en base a las propiedades del suelo natural[38], por lo que es necesario realizar ensayos de laboratorio y de campo del suelo estabilizado para conocer las nuevas propiedades del suelo. Los ensayos se realizan por muestras obtenidas a través de sondeos a diferentes profundidades, los cuales deben ser elegidos con anterioridad. Los ensayos a realizar deberán tener como objetivos de analizar su resistencia a compresión, conocer la 24.
(40) cantidad de ligante, mediante diversos ensayos de laboratorio. En la tabla 2.8 se puede observar aumentos de esfuerzo respecto a los suelos naturales con diferentes mezclas de aglomerantes.. Tabla 2.8: Incremento relativo de esfuerzo basado en pruebas de laboratorio en suelos nordicos tratados con diferentes aglomerantes [38]. Asimismo la cantidad de aglomerante utilizado tiene efectos en la resistencia del suelo tratado. En el gráfico 2.13, se puede apreciar que a mayor cantidad de aglutinante es mayor la resistencia. mas texto.. 25.
(41) Figura 2.13: Fuente: EuroSoilStab [38]. 26.
(42) Capı́tulo 3 Ensayos Quı́micos de Control de Cemento En este capı́tulo se desarrollará los métodos de ensayos quı́micos de clasificación de PH y el método de fluorescencia de rayos X, mediante los cuales se pretende conocer cuantitativamente el contenido de cemento en las inyecciones de suelos, como dato complementario a los métodos de ensayos de control convencionales.. 3.1.. Introducción. Actualmente existe diversos métodos de ensayos para realizar el contraste de los resultados de las inyecciones antes y después de ejecutados, con el objetivo de conocer los resultados. Se presenta como complemento a los ensayos convencionales, ensayos quı́micos para conocer cualitativa y cuantitativamente el contenido de cemento en las inyecciones de suelos. Estos ensayos son el ensayo quı́mico de clasificación de pH, con el cual se pretende conocer el contenido de cemento de las inyecciones, conociendo sus valores de pH, contenido de residuos insoluble, el cual es un ensayo que nos dan resultados del contenido de suelo no reaccionante con el cemento y en el ensayo de fluorescencia de rayos X, con el cual se pretende obtener datos cuantitativos del contenido de cemento en suelo. Estos ensayos quı́micos sirven como datos complementarios a los obtenidos con los ensayos convencionales existentes hasta la actualidad. Estos ensayos quı́micos fueron aplicados de manera experimental por Luis Tissera [12], en la contrucción del túnel en la estación de ferrocarril de Atocha en el año 2009/2010 como parte de la consolidación del terreno. Además existe un método propuesto [36] actual, el cual será desarrollado en el cálculo de contenido de cemento en las muestras. A continuación se desarrolla la metodologı́a usada de los ensayos quı́micos, como parte del control de cemento en inyecciones de suelo.. 27.
(43) 3.2.. Ensayo quı́mico de clasificación de pH. El pH (potencial de hidrogeno) es la medida de acidez o de alcalinidad de sustancias, es decir es la concentración de iones de hidrogeno y ácidos débiles los cuales van a formar una valoración númerica. La alcalinidad de una muestra de cemento es debida principalmente a la portlandita formada durante la hidratación de los compuestos anhidridos del cemento y a los hidróxidos de sodio y potasio presentes. Estas sustancias sitúan el pH de la fase acuosas en valores de 12,6 a 14 [21]. En un estudio realizado sobre el pH en cementos de baja alcalinidad, se tuvieron valores para el cemento portland de 13,5[10]. También en otros estudios sobre el efecto de pH del cemento sometidos a diferentes medios acuosos durante su hidratación se obtuvieron valores de pH superiores a 12, como se puede observar en el cuadro (3.1)[37].. Tabla 3.1: Valores de pH sometidos a diferentes medios acusos. [37] Luis Tissera[12]en su artı́culo sobre ensayos de control de cemento, obtiene valores de pH de 7 y 13, para muestras de suelo natural y muestras de laboratorio con alto contenido de cemento respectivamente, lo que se tiene un rango de medida para el control de pH en muestras de suelo inyectados en obra, lo que se valora cualitativamente estas muestras de obra según su valor de pH en el rango mencionado. Existen diversos métodos para la medida del valor de pH, siendo unos mas exactos que otros, según el objetivo de estudio. Las normas europeas indican algunos métodos para las medida de estos.. 3.2.1.. Indicador de PH en disolución de fenolftaleı́na. El indicador de pH se obtiene a partir de una disolución al 1 % de fenolftaleina en alcohol etı́lico. Al pulverizar la disolución sobre la muestra, según el color que adquiera, se puede identificar el valor de pH. El indicador de fenolftaleı́na permite diferenciar tres zonas de pH, el inferior a 8 es donde la disolución se torna incolora, valores entre 8 y 9,5 donde la tonalidad es rosa suave y mayor a 9,5 adquiere un color purpura intenso y cabe mencionar que un pH neutro tiene un valor de 7. En la figura 3.1 se muestra estas tres zonas caracterı́sticos. Esta metodologı́a se pude seguir en la norma UNE 112-011-94 de corrosión de armadura. 28.
(44) Figura 3.1: Tonalidades de fenolftaleı́na en muestras de hormigón. 3.2.2.. Indicador de pH con pH-metro. El pH metro es un sensor utilizado en el método electroquı́mico para medir el pH de una disolución, capaz de medir con una exactitud de ± 0,05. La determinación de pH consiste en medir el potencial que se desarrolla a través de una fina membrana de vidrio que separa dos soluciones con diferentes concentraciones de protones, por lo que se conoce la sensibilidad y la selectividad de las membranas de vidrio durante el pH. Este instrumento tiene un sensor el cual es utilizado para medir el PH de una disolución. Quiere decir que junto con los electrodos, el voltı́metro será sumergido en la sustancia haciendo que genere una corriente eléctrica, es ası́ que la concentración de iones de hidrógenos presenta la solución en la corriente eléctrica. Esto se da por medio de la membrana de vidrio que tiene el pH metro la cual obtiene la sensibilidad y selectividad de las dos soluciones de concentración. Un pH-metro se muestra en la figura 3.2.. Figura 3.2: pH metro de laboratorio. 29.
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