Mundial / Región Europa: DCC- International Underground Construction Group División de MBT (Suiza) S.A. Vulkanstrasse 110 8048 Zurich (Suiza) Teléf.: 41-1-438-2210 Fax: 41-1-438-2246 Región América:
Master Builders, Inc. Shotcrete & Underground Systems 23700 Chagrin Boulevard Cleveland, OH 44122-5554 EE. UU. Teléf.: 1-216-839-7500 Fax: 1-216-839-8827 Equipos: MEYCO Equipment División de MBT (Suiza) S.A. Hegmattenstrasse 24 8404 Winterthur (Suiza) Teléf.: 41-52-244-0700 Fax: 41-52-244-0707 México: MBT México
Blvd. M. Avila Camacho 80, 3er piso 53390 Naucalpán, Edo. de México Teléf.: 52-55-21-22-2200 Fax: 52-55-21-22-2201 Argentina: MBT Argentina S.A. España 1651 Colectora Oeste – Ruta Panamericana Km 47,5 Buenos Aires (1625) Teléf: 54-34-88-43-3000 Fax: 54-34-88-43-2828 Brasil: MBT Brasil Avenida Firestone 581 09290-550 Santo André São Paulo Teléf.: 55-11-4478-3118 Fax: 55-11-4479-0338 Chile: MBT Chile Nucleo Empresarial ENEA Rio Palena 9665 Pudahuel, Santiago de Chile Teléf.: 56-2-444-9760 Fax: 56-2-444-9761 Colombia: MBT Colombia Calle 76 No. 13 – 27 Bogotá Teléf.: 57-1-217-3332 Fax: 57-1-321-7513 Ecuador: MBT Concretesa Sosaya 133 y Ave. Americas Casilla 2515. Quito Teléf.: 593-256-6011 Fax: 593-256-9272 Peru: MBT UNICON PERU Plácido Jiménez 958 Lima Teléf.: 511-385-1905 Fax: 511-385-2065 Venezuela: MBT Venezuela C.C. Libertador PH-3 C. Negrin y Av. Los Jabillos. Caracas Teléf.: 582-212-762-5471/ 75 Fax: 582-212-761-7001 España: Bettor MBT, S.A. Duero, 23
Polígono Industrial Las Acacias 28840 Mejorada del Campo (Madrid) Teléf.: 34-91-668-0900 Fax: 34-91-668-1732 Bettor MBT, S.A. Basters 13 –15 08184 Palau de Plegamans (Barcelona) Teléf.: 34-93-862-0000 Fax: 34-93-862-0020
SHOTCRETE
PARA SOPORTE DE ROCAS
Tom Melbye Director MBT International Underground Construction Group
SHOTCRETE P
ARA SOPOR
TE
DE
Agradecimiento
Los autores desean manifestar su sincero agradecimiento a varios colegas del Departamento de Construcciones Subterráneas de Degussa Construction Chemicals por su colaboración y apoyo en la preparación de este documento, especialmente a Christian Krebs y Thomas Kurth (MEYCO Equipment).
SHOTCRETE
PARA
SOPORTE DE ROCAS
Tom MelbyeDirector
International Underground Construction Group, Degussa Construction Chemicals
Coautores:
Ross Dimmock
Gerente técnico
International Underground Construction Group, Degussa Construction Chemicals
Knut F. Garshol
Ingeniero geológico M.Sc.
IÍndice
1. Introducción 9
1.1 ¿ Qué significa shotcrete? 9
1.2 ¿Dónde se utiliza el shotcrete? 11
1.3 Principios del shotcrete 11
1.4 Diferencia entre los dos métodos 13
2. Método por vía seca 15
2.1 Composición de una mezcla seca 15
2.1.1 Contenido de cemento 15
2.1.2 Relación agua/cementante 15
2.1.3 Contenido de humedad natural 16
2.1.4 Aditivos 16
2.1.5 Adiciones 18
2.1.6 Fibras 18
2.2 Comparación entre las mezclas preparadas en obra y el
material predosificado 19
2.3 Problemas del proceso de proyección de mezclas secas 20
2.4 Conclusiones 22
3. Método por vía húmeda 23
3.1 Razones del cambio al método por vía húmeda 24
3.1.1 Economía 24 3.1.2 Ambiente de trabajo 24 3.1.3 Calidad 25 3.1.4 Aplicación 25 3.2 Ventajas 26 3.3 Desventajas 26
3.4 Resumen del método por vía húmeda 27
3.5 Diseño de la mezcla para proyección por vía húmeda 27
3.5.1 Microsílice 28
3.5.1.1 Ventajas especiales del shotcrete con microsílice 28
3.5.2 Agregados 29
3.5.3 Aditivos: Plastificantes y superplastificantes 31
3.5.4 Acelerantes de fraguado tradicionales 34
3.5.4.1 Comportamiento químico de los acelerantes de aluminato
durante el proceso de hidratación 35
3.5.4.2 Silicatos sódicos modificados/water glass 39
3.5.4.3 Campos de aplicación 40
3.5.4.4 Dosificaciones típicas 40
3.5.5 Acelerantes de shotcrete libres de álcalis 41
3.5.5.1 Formación de polvo 42
© Copyright Degussa Construction Chemicals Inter national Underground Construction Group, Unidad de Negocios de Degussa Construction Chemicals. 1994
Este documento es propiedad exclusiva de Degussa Construction Chemicals International Underground Construction Group, Unidad de Negocios, con domicilio social en 8048 Zurich (Suiza), Vulkanstrasse 110.
Prohíbida la reproducción total o parcial de este documento mediante cualquier sistema, sin la autorización por escrito de Degussa Construction Chemicals International Underground Construction Group, Unidad de Negocios. El incumplimiento de esta prohíbición puede conducir a acciones legales.
Basado en la novena edición de la versión original inglés «Sprayed Concrete for Rock Support», 2001. Segunda edición, enero de 2002, 2000 copias.
5.3.2 Fibras sintéticas 111 5.3.3 Fibras de carbono 113 5.3.4 Fibras metálicas 113 5.4 Ventajas técnicas de las fibras metálicas 113 5.5 Ventajas económicas de las fibras metálicas 116 5.6. Diseño de la mezcla para el shotcrete reforzado con fibra
metálica 116
6. Durabilidad del shotcrete 118
6.1 Diseños construibles 119 6.2 Especificaciones y guías 120 6.3 Aptidud del equipo de construcción 120 6.4 Diseño de la mezcla de shotcrete 121 6.5 Nuevos aditivos acelerantes libres de álcali 122 6.6 Estabilidad química de los nuevos acelerantes 123 6.7 Durabilidad del refuerzo de fibra metálica 124 6.8 Requisitos de aplicación 124
6.9 Conclusión 124
6.10 Ejemplo de C-45 125 6.11 Efectos de utilizar diferentes diseños de mezclas 126
7. Equipos 127
7.1 Aplicación manual 127 7.1.1 Equipos/sistemas para la proyección por vía seca 127 7.1.1.1 Principios de funcionamiento (MEYCO®Piccola,
MEYCO®GM) 127
7.1.1.2 Avances 129
7.1.1.3 Sistemas integrados para aplicación manual 129 7.1.2 Equipos/sistemas para la proyección por vía húmeda 130
7.1.2.1 Avances 130
7.1.2.2 Sistemas integrados para aplicación manual 133 7.2 Proyección mecanizada 134 7.2.1 Brazos de proyección 134 7.2.1.1 Brazos de proyección asistidos por computadora 138 7.2.2 Sistemas móviles de proyección 140 7.2.3 Ventajas de la proyección mecanizada 142 7.3 Sistemas de dosificación 143 7.4 Sistemas de boquilla 143 7.5 Sistemas para mediciones del desarrollo de resistencia 145 7.5.1 Aguja de penetración 145 7.5.2 Prueba de adherencia (pull-out) 145
8. Diseño de soporte de rocas 147
8.1 Mecanismos activos del shotcrete sobre roca 151 3.5.5.2 Terminología confusa: ¿«no cáustico»? ¿«libre de álcalis»? 44
3.5.5.3 Acelerantes líquidos no cáusticos libres de álcalis 45 3.5.5.4 Acelerantes sin álcalis en polvo 49 3.5.5.5 MEYCO®SA160/SA161/SA162/SA170:
Uso según el tipo de cemento 50 3.5.5.6 Comparación de las resistencias iniciales con acelerantes
tradicionales de aluminato 52 3.5.5.7 Dosificación y equipos 54 3.5.5.8 Compatibilidad con otros acelerantes 57 3.5.5.9 Requisitos especiales para utilizar los productos MEYCO®
SA160/SA161/SA162/SA170 para proyección por vía húmeda 57 3.5.5.10 Resultados típicos de pruebas de campo 58
4. Avances en la tecnología de aditivos
para el shotcrete 81
4.1 Sinopsis 81
4.2 Delvo®crete 81
4.2.1 Introducción 82 4.2.2 Shotcrete fabricado por vía húmeda 84 4.2.3 Dosificación y transporte del shotcrete fabricado por vía
húmeda 85
4.2.4 Control de la hidratación del cemento 87 4.2.5 Propiedades 90 4.2.6 Tiempos de fraguado 90 4.2.7 Resistencias 91 4.2.8 Rebote 92 4.2.9 Economía 93 4.2.10 Resumen 96 4.2.11 Casos de estudio 96 4.3 Curado interno del concreto 101 4.3.1 Antecedentes 102 4.3.2 Curado interno del concreto con MEYCO®TCC735 103
4.3.3 Tecnología comprobada 104 4.3.4 Ventajas del curado interno del concreto con
MEYCO®TCC735 105
4.3.5 Una solución más segura y económica 105 4.3.6 Resultados de las pruebas de proyección 106
4.4 Conclusión 108
5. Refuerzo de fibras 109
5.1 ¿Por qué es necesario reforzar el concreto? 109 5.2 Comportamiento de las fibras metálicas en el shotcrete 110 5.3 Clases de fibras 111 5.3.1 Fibras de vidrio 111
11. Tiempo y economía 198
11.1 Ejemplo de cálculo 198 11.2 Conclusiones 199
12. Aplicaciones futuras del shotcrete 200
Referencias 202
Apéndice
«Especificaciones particulares para el
shotcrete» 205
8.2 Shotcrete sobre roca diaclasada 152 8.3 Shotcrete sobre roca blanda o fisurada 154 8.4 Fundamentos de mecánica de rocas 155
8.5 Método NATM 158
8.6 Propiedades importantes del shotcrete para soporte de roca 160
8.7 Refuerzos 162
8.8 Métodos de soporte de túnel 163
9. Revestimientos permanentes
de shotcrete para túneles 165
9.1 Desarrollo de los revestimientos permanentes con shotcrete
para túneles 165
9.2 Relación coste/eficacia de los revestimientos de túneles de
una pasada 166
9.3 Opciones de SPTL 166 9.4 Geometría del túnel 168 9.5 Refuerzos del revestimiento 168 9.5.1 Varillas de refuerzo y mallas electrosoldadas 168 9.5.2 Refuerzos de fibras metálicas 169 9.6 Fortificaciones 171 9.7 Juntas de construcción relacionadas con la secuencia de
excavación 172
9.8 Método SPTL de dos capas: juntas de construcción de la
segunda capa 173 9.9 Método SPTL de dos capas: primera y segunda capa 174 9.10 Acabado superficial 176 9.10.1 Nivelación y alisado con llana 176 9.10.2 Sistemas de revestimientos 177 9.11 Durabilidad del shotcrete 178 9.12 Recomendaciones para la construcción 178 9.12.1 Requisitos de aplicación 178 9.12.2 Pautas de selección en sistemas modernos de aplicación 181 9.13 Sistemas de manejo de riesgo 181 9.14 Aumento de la estanqueidad con membranas proyectables 183 9.14.1 Túneles de SPTL sujetos a filtraciones potenciales de agua 184 9.14.2 Túneles SPTL con acceso activo de agua 185 9.14.3 Rehabilitación de túneles 185
10. Guía de aplicación del shotcrete 187
10.1 Preparación del substrato 187 10.2 Técnicas de proyección generales 189 10.3 Menos rebote, más calidad 191 10.4 Proceso por vía húmeda y brazos de proyección robotizada 195 10.5 Destreza del operario 196
Capítulo 1
Introducción
La creatividad del hombre surge de su deseo natural de conocer y de su capacidad de aprender. Los exploradores y los descubridores poseen estos rasgos en dosis extremas: movidos por una curiosidad a toda prueba, se atreven a ir más allá de los bordes de lo conocido, a explorar la naturaleza de las cosas, a buscar los vínculos que conectan ideas, hechos, concepciones, a ver las cosas desde una luz diferente, a cambiar las percepciones de la humanidad.
Un hecho bien conocido de la industria de la construcción – y en par-ticular de la industria de la construcción subterránea – es que no hay un proyecto que sea igual a otro. Cada uno está acompañado por una verdadera maraña de parámetros y circunstancias que generan un grado de complejidad superior al de otras industrias, obligando a contratistas y a abastecedores a trabajar con una mente sumamen-te flexible.
El shotcrete posee ventajas enormes en su calidad de proceso de construcción y de soporte de rocas; ello, sumado al avance logrado en materiales, equipos y conocimientos de aplicación, ha hecho de esta técnica una herramienta muy importante y necesaria para los trabajos de construcción subterránea. En particular, la tecnología moderna de shotcrete por vía húmeda ha ampliado el campo de trabajo de la construcción subterránea. Proyectos que en el pasado eran imposibles de llevar a cabo, son ahora viables. Independiente-mente del tipo de terreno, hoy en día es posible aplicar esta tecnología en cualquier condición.
1.1 ¿Qué significa shotcrete?
El shotcrete (mortero, o «gunita») comenzó a utilizarse hace casi 90 años.
Los primeros trabajos con shotcrete fueron realizados en los Estados Unidos por la compañía Cement-Gun (Allentown, Pensilvania) en 1907. Un empleado de la empresa, Carl Ethan Akeley, necesitaba una máquina que le permitiera proyectar material sobre mallas para con-struir modelos de dinosaurios, e inventó el primer dispositivo creado para proyectar materiales secos para construcciones nuevas.
1.2 ¿Dónde se utiliza el shotcrete?
La gran cantidad de ventajas que tiene el shotcrete como proceso de construcción, y los avances logrados en equipos, materiales y conocimientos, lo han convertido en una herramienta importante para una variedad de trabajos.
Se aplica shotcrete para resolver problemas de estabilidad en túne-les y en otras construcciones subterráneas. Además, hoy en día esta técnica es un factor clave para el soporte de rocas en aplicaciones tales como:
• Construcción de túneles • Operaciones mineras • Hidroeléctrica
• Estabilización de taludes
Más del 90 % de todo el shotcrete es utilizado para soporte de rocas.
Actualmente el uso del shotcrete es menos frecuente que el del con-creto tradicional; sin embargo, este material ofrece la posibilidad de una gran variedad de aplicaciones, entre ellas:
• Recubrimientos de canales • Reconstrucción y reparaciones • Pantallas marinas
• Concreto refractario
• Protección contra incendio y anticorrosiva • Construcciones nuevas
• Agricultura (pozos de estiércol)
• Mampostería y estabilización de muros de ladrillo
El shotcrete es el método de construcción del futuro debido a sus características de flexibilidad, rapidez y economía. ¡El único límite para su uso es la imaginación del hombre!
1.3 Principios del shotcrete
Usuarios importantes de shotcrete han adquirido el conocimiento de la técnica a través de experiencia práctica, investigación y desarrol-lo.
Igualmente, el desarrollo de equipos y métodos de control ha con-ducido a una producción racional y a una calidad más uniforme del Cement-Gun patentó el nombre «Gunite» para su mortero
proyecta-do, un mortero que contenía agregados finos y un alto porcentaje de cemento.
Hoy en día todavía se utiliza el nombre «gunita». En ciertas clasifica-ciones equivale al mortero proyectado, pero los límites de tamaño de grano varían (según el país, la definición del límite para el agregado máximo es de 4, 5, o incluso hasta 8 mm). Para evitar esta confusión entre mortero proyectado y shotcrete, en este libro utilizaremos la expresión «shotcrete» (o gunita) para referirnos a la mezcla proyecta-da de cemento y agregados.
Actualmente existen dos métodos de aplicación para el shotcrete: el proceso de vía seca y el de vía húmeda. Las primeras aplicaciones del shotcrete se hicieron mediante la vía seca; en este método se coloca la mezcla de cemento y arena en una máquina, y la misma se transporta por mangueras mediante la utilización de aire comprimido; el agua necesaria para la hidratación es aplicada en la boquilla. El uso del método por vía húmeda comenzó después de la Segunda Guerra Mundial. A semejanza del concreto ordinario, se preparan las mezclas con toda el agua necesaria para hidratarlas, y se bombean en equipos especiales a través de las mangueras. La proyección del material se efectúa mediante la aplicación de aire comprimido a la boquilla.
Si bien algunas personas afirman que el shotcrete es un concreto especial, lo cierto es que no es sino otra manera más de colocar el concreto. Al igual como ocurre con los métodos tradicionales de colocación, el shotcrete requiere ciertas características particulares del concreto durante la colocación, y al mismo tiempo requiere satis-facer todas las demandas tecnológicas normales del concreto – rela-ción agua/cementante, cantidad de cemento, consistencia correcta y postratamiento. En el mundo entero abundan trabajos de shotcrete de mala calidad debido a que la gente se olvida de que el shotcrete no es sino otra manera de colocarlo, y de que es fundamental cumplir con todos los requisitos tecnológicos del concreto.
Los equipos para la ejecución de ambos métodos (vía húmeda y vía seca) han mejorado de manera significativa. En un capítulo aparte se describirán los últimos avances de la tecnología.
1.4 Diferencia entre los dos métodos
Hay dos métodos de shotcrete: seco (al que se le añade el agua de hidratación en la boquilla de proyección), y húmedo (aquel en el que las mezclas transportadas contienen ya el agua necesaria para la hidratación).
Ambos métodos tienen sus ventajas y desventajas, y la selección de uno u otro dependerá de los requisitos del proyecto y de la experien-cia del personal encargado de ejecutarlo. Ambos serán empleados en la industria de la construcción del futuro.
Figura 2: La máquina MEYCO®Suprema ofrece una proyección sin pulsaciones y un sistema de control computarizado (con controla-dor lógico programable).
Hasta hace pocos años, el método más utilizado era el de proyec-ción por vía seca, pero hoy en día la tendencia ha cambiado, espe-cialmente en shotcrete para soporte de rocas. El método dominante del futuro será el de proyección por vía húmeda debido a que ofrece un mejor ambiente de trabajo, mayor calidad, uniformidad y produc-ción.
Los desarrollos en la tecnología del shotcrete están relacionados con el proceso de vía húmeda. Entre algunos ejemplos de desarrol-los recientes figuran la adición de nuevas generaciones de adiciones (Delvo®crete, MEYCO®TCC, curador interno de concreto,
microsíli-ce y fibras metálicas). producto. Desde un punto de vista internacional, podemos decir sin
equivocación que hemos logrado grandes avances desde los tiem-pos en los que se utilizaba shotcrete para estabilizar rocas; sin embargo, también hay que reconocer que estamos atrasados cuan-do lo utilizamos para proyectos de construcción y reparación. La razón de este retraso no tiene una explicación sencilla. El conoci-miento existe, pero no se emplea totalmente.
Figura 1: Proyección a control remoto
Las regulaciones actuales imponen demandas tecnológicas en las personas que hacen el trabajo de proyección, y los requisitos actua-les han conducido a una mejor capacitación del personal. Asimismo, en los últimos años ha aumentado el número de contratistas espe-ciales; todo ello ha redundado en aplicaciones de mejor calidad. Sin embargo, la falta de conocimientos supone riesgos de trabajos defi-cientes; éste es el caso particular de proyectos menores para los cuales los contratistas carecen de experiencia en shotcrete. Tales problemas pueden eliminarse estableciendo requisitos más estric-tos en competencia, experiencia previa, personal capacitado y conocimiento sobre concreto, y exigiendo las autorizaciones perti-nentes.
El contratista debe exigir un documento de autorización para shot-crete que tenga una validez general, tal como el que existe para colocación y armadura (similar al de la Asociación de Shotcrete del Reino Unido).
Capítulo 2
Método por vía seca
2.1 Composición de una mezcla seca
2.1.1 Contenido de cemento
En la fabricación de la mezcla seca se utiliza usualmente una pro-porción de cementante que varía entre 250 y 450 kilogramos por 1000 litros de agregado, o entre 320 y 460 kilogramos por metro cúbico de concreto. Para estimar el contenido real de cemento del shotcrete aplicado, es necesario considerar el rebote. El principal efecto del rebote es la pérdida del agregado de mayor tamaño, que conduce a un aumento del contenido de cemento si se lo compara con la mezcla inicial. En una mezcla regular de 350 kg de cemento por m3, un rebote del 20 % se traduce aproximadamente en 400 kg
de cemento por m3de shotcrete.
2.1.2 Relación agua/cementante
La relación agua/cementante tiene una influencia fundamental en la calidad del shotcrete. El agua total utilizada en la mezcla seca se compone del agua de mezcla añadida en la boquilla y la humedad ya presente en el agregado. A diferencia de la proyección por vía húme-da, en la proyección por vía seca no hay un valor definido para la relación agua/cementante debido a que el operario de la boquilla es quien controla y regula la cantidad del agua de mezcla; generalmen-te, esto es una gran desventaja. No obstangeneralmen-te, en la práctica el factor agua/cementante es bastante constante debido a que el alcance de la variación es limitado: si se agrega muy poca agua, se crea inme-diatamente un exceso de polvo; si se agrega demasiada agua, el shotcrete no se adherirá a la superficie.
Si se utiliza una técnica correcta, el factor agua/cementante varía sólo ligeramente y permanece por debajo de 0,5. En el mejor de los casos (agregados que requieran una baja cantidad de agua, sufi-ciente contenido de cemento), es incluso posible fabricar shotcrete con una relación inferior a 0,4.
Figura 3: La máquina MEYCO®Piccola sobresale por su robustez, simpleza de operación y adaptabilidad a las condiciones específicas de la obra.
Actualmente, un 70 % del shotcrete se aplica mediante vía húmeda, mientras que el 30 % restante se aplica por vía seca. En algunas regiones del mundo predomina el método por vía húmeda (casi 100 % en Escandinavia e Italia). Hoy en día se aplican en el mundo ente-ro más de 8 millones de m3al año.
mano, lo cual imposibilita garantizar dosificaciones exactas y usual-mente conduce a una sobredosis masiva distribuida de manera desigual. Varios estudios han demostrado que la resistencia final del material sufre una reducción del 35 % o más si se lo compara con el concreto base (es decir, sin acelerante). Por tanto, la dosificación manual debe hacerse únicamente en casos excepcionales, o para aplicaciones de shotcrete cuyos requisitos de calidad no sean est-rictos.
Los dispositivos alimentadores utilizados en combinación con apa-ratos de dosificación en polvo ayudan a obtener una mayor preci-sión. Para óptimos resultados se utilizan tornillos sinfín de alimenta-ción, equipados con un dosificador de eje (p. ej., el instrumento MEYCO®Rig 016). No se recomienda utilizar alimentadores de
cor-rea transportadora.
Los materiales empacados y modificados de forma apropiada podrían ser una solución conveniente al problema de dosificación. Sin embargo, con frecuencia y especialmente en proyectos grandes, resultan excesivamente costosos.
La mejor forma de garantizar una dosificación precisa del acelerante durante la aplicación es utilizar productos líquidos (tales como el acelerante libre de álcalis MEYCO®SA160), los cuales son medidos
en el agua de mezcla y agregados al material seco en la boquilla. Sin embargo, para obtener una dosificación constante es esencial uti-izar un sistema de dosificación apropiado, incluso con acelerantes líquidos. Cuando se requiere mezclar previamente el agua y los ace-lerantes, las máquinas son apropiadas sólo hasta cierto punto. Dado que la relación agua/acelerante es fija, se altera la dosificación según el peso del cemento cada vez que el operario de la boquilla ajusta la incorporación de agua. Sin embargo, es necesario ajustar la cantidad de agua, por ejemplo, para responder a variaciones en la humedad natural del agregado o en el comportamiento del flujo de agua en la superficie.
Las bombas de pistones garantizan obtener una proporción stante cemento/acelerante. Estas bombas miden una cantidad con-stante del aditivo, proporcional a la capacidad de la máquina de proyección, independientemente del ajuste del caudal de agua (p. ej., MEYCO®Mixa).
En comparación con los acelerantes de polvo, los líquidos tienen más ventajas porque eliminan el problema de componentes
cáusti-2.1.3 Contenido de humedad natural
Otro aspecto importante de la mezcla seca es el contenido de hume-dad natural. Cuando la mezcla está demasiado seca, la proyección produce una cantidad excesiva de polvo; por otra parte, si el con-tenido de humedad es demasiado alto, el rendimiento de shotcrete disminuye drásticamente, y las maquinarias y las mangueras trans-portadoras se taponan. El contenido de humedad natural óptimo debe oscilar entre el 3 y el 6 por ciento.
Además de las mezclas hechas en el sitio, en los últimos años se ha tendido a utilizar materiales secos que llegan al sitio de trabajo empacados en sacos o silos, los cuales, por supuesto, no contienen humedad natural. Para reducir la formación de polvo, es aconsejable hidratar el material seco antes de introducirlo en la maquinaria de proyección, y para ello existen dispositivos alimentadores de diseño especial o boquillas de prehumidificación.
2.1.4 Aditivos
Existen varios aditivos cuya función es controlar las propiedades del shotcrete. Entre los más importantes figuran los acelerantes de fra-guado; estos aditivos reducen el tiempo de fraguado. El shotcrete exhibe un fraguado más rápido y una resistencia inicial mayor, lo cual permite aplicar capas subsecuentes de shotcrete con mayor rapidez y en espesores mayores.
En proyectos de gran escala, los acelerantes contribuyen a aumen-tar la productividad y son un prerrequisito importante para muchas aplicaciones; como ejemplo, en trabajos de construcción subterrá-nea, la resistencia inicial del shotcrete es un factor esencial.
Tal como es bien conocido en la tecnología de construcción, aceler-ar la hidratación del cemento lleva a una reducción de la resistencia a los 28 días. Por tanto, para obtener resultados de alta calidad en el shotcrete, es crítico añadir la menor cantidad posible del acelerante y hacerlo de manera uniforme. En cada caso debe determinarse la proporción de acelerante según la cantidad de cemento utilizado. Hay acelerantes líquidos y acelerantes en polvo; estos últimos (p. ej., el acelerante libre de álcalis MEYCO® SA545) son añadidos
durante la alimentación del material al equipo de proyección. Desdichadamente, en muchas partes aún se agrega el polvo a
mayor rebote (>50 %) experimentado por el material en el caso de mezclas secas; tal cosa hace que la relación costo/rendimiento sea crítica. Sin embargo, gracias a la experiencia adquirida durante los últimos años y a las posibilidades presentes de reducir el rebote, se espera que el uso de fibras metálicas aumente con las mezclas secas.
2.2 Comparación entre las mezclas preparadas
en obra y el material predosificado
Tal como ya se ha mencionado, el proceso seco permite utilizar mez-clas con agregados con humedad natural o agregados secados al horno. Los primeros son más económicos y producen menos polvo; no obstante, su contenido de humedad natural es suficiente como para comenzar una hidratación prematura. Por tal razón, las mezclas de agregados con humedad natural tienen una vida de almacena-miento limitada y deben utilizarse en un tiempo no mayor de 2 horas. Un almacenamiento prolongado provoca mayor rebote y disminu-ción de las resistencias finales.
La fabricación de la mezcla seca en el sitio de trabajo supone la instalación de las plantas de dosificación y alimentación. Clara-mente, instalaciones como éstas sólo se justifican en proyectos importantes o a gran escala. En caso de proyectos de shotcrete de menor escala o a corto plazo, la mezcla seca puede obtenerse ya preparada en planta; esto puede generar problemas debido a la distancia de transporte y a la incertidumbre de una entrega segura. Es importante planificar cuidadosamente la entrega y colocación a fin de evitar retrasos e interrupciones del trabajo debido a sumini-stros inadecuados.
Los materiales ensacados o en silos permiten la máxima flexibilidad posible: debido a que pueden almacenarse durante largos períodos de tiempo, la planificación se simplifica. Además, se caracterizan por una calidad constante. Entre sus desventajas podemos citar su mayor tendencia a formar polvo (lo cual puede ser controlado por prehumidificación), y su precio considerablemente mayor.
El desarrollo de sistemas de control de hidratación tales como Delvo®crete ha posibilitado prolongar la vida de almacenamiento de
mezclas de agregados con humedad natural. Al agregar el estabi-lizador Delvo®crete durante la fabricación, la mezcla permanece
fre-sca e inalterada. El activador líquido Delvo®crete es añadido en el
cos en el polvo de rociado. La dosificación en la boquilla previene el fraguado instantáneo. Dada la mezcla uniforme con el material de proyección, es posible medir los acelerantes líquidos de una manera más económica, lo cual también puede llevar a mayores resistencias finales. La experiencia ha demostrado que, en comparación con el concreto básico, la pérdida de resistencia final del material acelera-do puede ser inferior al 25 %.
Aparte de los acelerantes, los otros aditivos utilizados en el proceso de proyección seco son los aglomerantes de polvo, los cuales redu-cen la formación de polvo. Sin embargo, se utilizan poco.
2.1.5 Adiciones
A diferencia de los aditivos químicos, el efecto de las adiciones es principalmente físico. Entre las más conocidas figuran los rellenos minerales conocidos como microsílice (o humos de sílice), cuya importancia ha crecido dentro de la industria. Estas sustancias finas (superficie de 20 – 35 m2/g) con una proporción de SiO
2que varía
entre el 65 y el 97 %, según la calidad del producto, conducen a una importante mejora en la calidad del shotcrete, que se manifiesta en mayor resistencia a la compresión y mayor densidad. Debido a la mejor adherencia, es posible colocar capas más gruesas incluso sin tener que utilizar acelerantes.
La microsílice tiene otro efecto interesante en el método por vía seca. Al añadirse de manera apropiada, su uso puede también con-ducir a una reducción del rebote hasta del 50 %. Elkem ha desarrol-lado una tecnología especial para añadir a la boquilla una pasta de 50 % (dosificada en el agua). Si bien el sistema de pasta es muy efi-caz, es también bastante complicado porque requiere una bomba dosificadora especial (p. ej., MEYCO®Mixa) y un producto adicional
en cantidades elevadas. La pasta debe almacenarse siguiendo las indicaciones, y usualmente se requiere un agitador.
2.1.6 Fibras
La incorporación de fibras sintéticas o metálicas al shotcrete lleva a una mayor energía de rotura o menor retracción del material. El uso de fibras metálicas es poco frecuente en las mezclas secas en comparación con su uso en mezclas húmedas, y la razón es el
apropiada del material seco en la boquilla. Dependiendo del siste-ma, la presión hidráulica aumenta hasta aproximadamente 80 bar. Sin embargo, tales aparatos son costosos y tienden a fallar. Nuestra experiencia indica que los sistemas con 10 a 15 bar son adecuados. Además de la formación de polvo en la boquilla, es necesario tam-bién prestar atención al efecto que tiene el polvo del sistema de ali-mentación sobre la máquina. En este particular, las máquinas tradi-cionales de doble cámara o la versión moderna de la Sch¸renberg (SBS) son ventajosas. Sin embargo, las máquinas de rotor pueden ser condicionadas a prueba de polvo hasta cierto punto o incluso totalmente si se les acopla un recolector de polvo o si se hace una lubricación continua de los empaques de caucho (lubricación inter-mitente).
Otra manera de obturar totalmente una máquina de rotor es incorpo-rando un sistema de abrazadera hidráulica (p. ej., tal como en el caso del sistema MEYCO®Unica). El motor se sella con un
mangui-to, y la presión de fijación es ajustada automáticamente a la presión de alimentación. Este sistema garantiza una presión de fijación cor-recta (incluso en el caso de obstrucciones o de distancias de ali-mentación extremas), garantizando así que la máquina permanezca sellada. Asimismo, este nuevo sistema de fijación reduce significati-vamente no sólo los costos resultantes del desgaste sino también la cantidad de aire comprimido requerido (reducción aproximada del 25 %).
Otro problema importante del proceso de proyección en seco es el rebote relativamente alto. Según la superficie de aplicación en cue-stión (vertical o en clave), se pierde entre un 15 y un 35 % del con-creto. La pérdida promedio es del 20 al 25 %, comparada con 5 a 10 % con el proceso de proyección por vía húmeda.
Para reducir el rebote de una manera significativa, se pueden utilizar las nuevas clases de adiciones y aditivos mencionados anteriormen-te. El uso de microsílice o de sistemas de control de la hidratación tales como Delvo®crete puede ayudar, y la pérdida promedio puede
reducirse hasta un 15 %, lo cual es comparable con los resultados obtenidos con el proceso de proyección por vía húmeda.
Frecuentemente se cita una desventaja adicional: el bajo rendimien-to del equipo. No obstante, las máquinas modernas permiten aplicar más de 10 m3/h; esto es algo que indudablemente no es posible
log-rar con aplicación manual, sino con el uso de un brazo robotizado. momento de la aplicación (se agrega como un acelerante líquido), y
simultáneamente vuelve a activar la hidratación del cemento y actúa como un acelerante. Por tal motivo, cuando se utiliza Delvo®crete no
es necesario cambiar la técnica ni el equipo.
El sistema Delvo®crete para el control de la hidratación permite
almacenar las mezclas hasta por tres días, lo cual ofrece más flexibi-lidad y menos costos que los materiales ensacados.
2.3 Problemas del proceso de proyección de
mezclas secas
Todo proceso tiene sus desventajas; las del método por vía seca son sus costos operativos relativamente superiores debido al desgaste y daños en las máquinas de rotor, especialmente en los empaques de caucho y los discos de fricción.
Figura 4: Principio de rotor de una máquina de proyección en seco típica (MEYCO® GM, MEYCO® Piccola)
Para mantener estos costos dentro de límites razonables, es necesario configurar bien las máquinas, hacer cambios oportunos de piezas y utilizar procedimientos adecuados de pulverización. Otra desventaja es la formación de polvo, pero el mismo puede reducirse procurando un contenido favorable de humedad natural (o prehumidificación adecuada) y utilizando aglomerantes de polvo. También se pueden utilizar bombas de cebado de presión de agua, las cuales intensifican la presión de agua durante la mezcla en la boquilla. Si se usan en combinación con el uso de anillos de agua mejorados, es posible garantizar una humidificación constante y
1 = Tolva de alimentación 2 = Rotor
3 = Salida
Capítulo 3
Método por vía húmeda
Tal como se mencionó anteriormente, este método es el único uti-lizado en Escandinavia, Italia y en un gran número de importantes proyectos subterráneos en todo el mundo. El uso del shotcrete para aplicaciones de soporte de rocas ha aumentado en forma exponen-cial en los últimos 15 a 20 años, lo cual ha impulsado un intenso des-arrollo del mismo.
Entre 1971 y 1980 se produjo un desarrollo impresionante del méto-do por vía húmeda en Escandinavia, con consiguiente transforma-ción total de su mercado de shotcrete: se pasó de 100 % de vía seca a 100 % de vía húmeda, y la aplicación pasó de manual a robótica. Este cambio radical ocurrió sólo en Noruega. Desde aproximada-mente 1976 – 1978 se han venido agregando cada vez más el humo de sílice y la fibra metálica al shotcrete fabricado por vía húmeda. Sin duda alguna los noruegos llevan la delantera en la tecnología del shotcrete fabricado por vía húmeda, tanto en teoría como en prác-tica. La mala fama de la técnica de proyección por vía húmeda se debe a los deficientes equipos utilizados y al poco conocimiento del método, factores que han acarreado la producción de un concreto de muy baja calidad. Para que la mezcla pudiera pasar por el equipo, se utilizaban contenidos muy altos de agua, con una relación de agua/cementante hasta de 1,0. Gracias a la tecnología de la indu-stria del concreto actual, hoy en día es totalmente factible producir shotcrete por vía húmeda que tenga una resistencia a la compresión a los 28 días superior a 60 MPa.
Actualmente la tecnología se utiliza también en la construcción de nuevas edificaciones (en vez del método de colocación original) y en la reparación de plataformas petroleras en el Mar del Norte. Esto es una prueba fehaciente de la alta calidad del método, dados los est-rictos requisitos que deben cumplir los métodos y los materiales uti-lizados en la construcción submarina.
Sin embargo, dado el aumento en los costos de desgaste, una pro-ducción superior a 8 m3/h resulta crítica desde el punto de vista
económico.
2.4 Conclusiones
Gracias a los muchos años de experiencia en el proceso de proyec-ción en seco, existe hoy en día un gran conocimiento sobre la técni-ca. Es sumamente importante asegurarse de seleccionar materiales, equipos y técnicas de aplicación que puedan combinarse de la mejor manera posible para alcanzar resultados satisfactorios tanto en calidad como economía.
El proceso en seco es el más antiguo de los dos procesos de proy-ección. Los continuos desarrollos en las maquinarias y en la tecnolo-gía de materiales han permitido ampliar su campo de aplicación. En un futuro se espera que siga desempeñando un papel importante, dadas las ventajas y las oportunidades disponibles hoy para solven-tar las desventajas tradicionales. Las aplicaciones principales serán proyectos de volúmenes relativamente pequeños o que requieran gran flexibilidad (p. ej., reparaciones), o con largas distancias de transporte.
El método por vía húmeda mejoró significativamente 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 sin un robot y sin utilizar fibras metálicas para refuerzo.
3.1.3 Calidad
Todavía se piensa equivocadamente que el método por vía húmeda no ofrece resultados de alta calidad. Lo cierto es que si se utilizan aditivos reductores de agua (baja relación agua/cementante) y microsílice, se pueden obtener resistencias a la compresión de hasta 100 MPa aplicando shotcrete por vía húmeda.
A diferencia del método por vía seca, el de vía húmeda ofrece una calidad homogénea.
3.1.4 Aplicación
Con el método húmedo se utiliza un concreto ya mezclado en planta de concreto o un mortero preenvasado. El concreto se prepara de la misma forma que el concreto normal. En cualquier momento del pro-ceso es posible inspeccionar y controlar la relación agua/cementan-te (y por tanto, la calidad). La consisagua/cementan-tencia puede ser ajustada por medio de aditivos.
Con el método de vía húmeda es más fácil producir una calidad con-stante a lo largo del proceso de proyección. La mezcla ya lista se descarga en una bomba y se transporta a presión a través de la manguera. Al principio se utilizaban principalmente bombas helicoi-dales; hoy en día predominan las bombas de pistón.
En la boquilla del extremo de la manguera, se agrega aire al concre-to a razón de 7 – 15 m3/min y una presión de 7 bars según el tipo de
aplicación (manual o robot). El aire tiene la función de aumentar la velocidad del concreto a fin de lograr una buena compactación y adherencia a la superficie. Un error común que se comete con el método de vía húmeda es utilizar cantidades insuficientes de aire. Generalmente se agregan entre 4 y 8 m3/min, lo cual lleva a menores
3.1 Razones del cambio al método por vía húmeda
No se sabe por qué el cambio sucedido en Escandinavia no ha ocur-rido en ningún otro país. Quizás la explicación se encuentre ana-lizando las condiciones noruegas.
3.1.1 Economía
La capacidad de proyección ha aumentado considerablemente desde los tiempos de maquinarias/robots de mezclado en seco, hasta los robots de vía húmeda modernos. En un turno de 8 horas, la capacidad promedio de proyección del método por vía húmeda es usualmente de 4 a 5 veces mayor que la del método por vía seca. Si bien los costos de inversión en los nuevos robots de vía húmeda aumentaron significativamente, al mismo tiempo hubo una caída igualmente significativa del costo de colocación del shotcrete, y también disminuyó uno de los principales factores de costo, a saber: el tiempo de preparación por cada ciclo. Gracias a los sistemas robóticos integrados, la aplicación del shotcrete puede comenzar a los pocos minutos de la llegada de los equipos al frente. La introduc-ción de los perforadores hidráulicos aumentó la capacidad de per-foración en un 100 %. El aumento de la inversión se tradujo en menores tiempos por ciclo de perforación y explosión; por tanto, el costo del tiempo aumentó. El tiempo gastado en la operación de proyección tenía que disminuir lo máximo posible, y por tanto fue fundamental aumentar la capacidad de aplicación de shotcrete. Asimismo, la reducción del rebote en aproximadamente un 25 % tuvo importantes repercusiones económicas.
3.1.2 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 proyec-ción. Como norma general, los resultados de las mediciones de polvo en el ambiente de trabajo eran más de tres veces la cantidad permisible.
3.4 Resumen del método por vía húmeda
Con la proyección robotizada de superficies suficientemente gran-des por vía húmeda, es posible lograr (con un operario) una produc-ción promedio de 60 – 100 m3con rebote inferior al 10 %, en un turno
de trabajo de 8 horas.
Al comparar los métodos seco y húmedo, puede concluirse que el primero debe ser utilizado para aplicaciones de volúmenes pequeños (p. ej., reparaciones) y en condiciones muy especiales (distancias largas, interrupciones repetidas, etc.), mientras que el método por vía húmeda debe utilizarse en todo trabajo de soporte de rocas.
3.5 Diseño de la mezcla para proyección por vía húmeda
Elementos necesarios para producir un buen shotcrete con el méto-do por vía húmeda:
• Cemento • Microsílice • Agregados • Aditivos
• Acelerantes líquidos de fraguado, libres de álcalis • Fibras
• Postratamiento
• Equipo de proyección apropiado • Correcta ejecución de la técnica
A continuación se mencionan aspectos individuales que pueden influir en la calidad del material obtenido. Tal como se mencionó anteriormente, el shotcrete tiene los mismos requisitos que el con-creto normal utilizado en construcción, a saber:
• Baja relación agua/cementante • Menos agua
• Menos cemento
• Buena capacidad de colocación
Las diferencias entre las propiedades del concreto fresco y del endurecido son particularmente pronunciadas en el caso del shot-crete. Este hecho disminuye la calidad del shotcrete fabricado por vía húmeda; sin embargo, la diferencia puede controlarse con el uso de aditivos reductores de agua, microsílice y fibras.
resistencias a la compresión así como también adherencia deficien-te y rebodeficien-te. Para la proyección robotizada se requieren hasta 15 m3/min de aire.
Además de aire, se añaden acelerantes de fraguado en la boquilla. Todavía hay quien cree que no es posible obtener concreto resisten-te a la congelación, y que los aceleranresisten-tes de fraguado empeoran la adherencia del shotcrete. Los resultados de varios estudios, auna-dos a la experiencia práctica, demuestran que los acelerantes logran una mejor resistencia a la congelación debido a que producen un concreto más compacto y duradero; asimismo, mejoran la adheren-cia porque evitan el escurrimiento del concreto sobre el terreno, y éste se adhiere inmediatamente a la superficie.
3.2 Ventajas
A continuación se expone un resumen de las ventajas del método de vía húmeda en comparación con el de vía seca:
• Rebote mucho menor. Con el uso de equipos apropiados y de personal capacitado, se obtienen pérdidas normales que oscilan entre 5 y 10 %, incluso para el caso de proyección de concreto reforzado con fibras.
• Mejor ambiente de trabajo debido a la reducción del polvo. • Capas más gruesas gracias al uso eficiente de los materiales de
mezcla.
• Dosificación controlada del agua (relación agua/cementante constante y definida).
• Mejor adherencia.
• Mayor resistencia a la compresión, y uniformidad de resultados. • Producción muy superior, y por tanto más economía.
• Uso de fibras metálicas y nuevos aditivos.
3.3 Desventajas
• Distancia de transporte limitada (máx. 300 m). • Mayores demandas en la calidad del agregado. • Sólo se permiten interrupciones limitadas. • Costos de limpieza.
• Mayor resistencia a la permeabilidad • Menos rebote
• Mayor resistencia a los sulfatos
En el shotcrete reforzado con fibra, la adición de microsílice ofrece además:
• Mayor facilidad de mezcla y distribución de las fibras • Menos rebote de las fibras
• Mejoramiento del enlace entre la matriz de cemento y las fibras Tal como se ha señalado, es importante siempre agregar microsílice al shotcrete.
Debido a la fineza de la microsílice, al agregarla al concreto se preci-san dosis elevadas de un plastificante o superplastificante para dispersarla. La dosificación de aditivos aumenta en aproximada-mente un 20 % cuando se añade microsílice.
3.5.2 Agregados
En lo que se refiere a todos los hormigones especiales, la calidad del agregado es un asunto primordial tanto para el concreto fresco como para el endurecido. Es importante que la distribución del tamaño de grano y otras características sean lo más uniforme posi-bles. Particularmente importantes son la cantidad y las característi-cas de los finos (es decir, el tamaño de grano y el análisis de tamaño de grano). No hablaremos aquí de selección del agregado dado que usualmente debe utilizarse el material disponible y adaptar la formu-lación al mismo; no obstante, para la proyección de mezclas húme-das deben observarse los siguientes criterios:
• Diámetro máximo: 8 – 10 mm, debido a limitaciones del equipo de bombeo y también para evitar grandes pérdidas por rebote. Desde un punto de vista tecnológico se prefiere un valor superior de diámetro máximo.
• La curva granulométrica del agregado es también muy importan-te, especialmente en su sección inferior. El contenido de material fino en el tamiz n.° 0,125 mm debe oscilar entre un límite inferior de 4 – 5 % y uno superior de 8 – 9 %.
• Los materiales finos demasiado pequeños producen segrega-ción, mala lubricación y riesgo de atascamiento. Sin embargo, en caso de usar concreto con fibra, el sobrante de material fino es importante tanto para el bombeo como para la compactación.
3.5.1 Microsílice
Se considera que el humo de sílice (o «microsílice») es una puzolana muy reactiva con alta capacidad para fijar iones extraños, particular-mente álcalis.
La microsílice tiene un efecto de relleno; se cree que distribuye los productos de hidratación de manera más homogénea en el espacio disponible, produciendo así un concreto con menor permeabilidad, mayor resistencia a sulfatos y más durabilidad ante ciclos de conge-lación y deshielo.
Al analizar las propiedades del concreto con microsílice, es impor-tante tener en cuenta que la microsílice puede utilizarse de dos maneras:
• como reemplazo del cemento, para reducir el contenido de cemento (usualmente por razones de economía)
• como adición para mejorar las propiedades del concreto, tanto fresco como endurecido.
En el shotcrete se debe utilizar microsílice como adición en vez de como substituto del cemento, a fin de mejorar las propiedades del concreto y de la proyección.
3.5.1.1 Ventajas especiales del shotcrete con microsílice
Es posible producir shotcrete de calidad normal (es decir, 20 a 30 MPa de resistencia en cubos) sin necesidad de utilizar microsílice. Sin embargo, la producción práctica y económica de materiales con resistencias mayores depende hasta cierto grado del uso de microsílice. Desde el punto de vista técnico, se recomienda utilizar 5 – 10 % de microsílice (del peso de cemento).
El uso correcto de microsílice puede proporcionar las siguiente pro-piedades al shotcrete:
• Mejor capacidad de bombeo: lubrica y previene la exudación y la segregación
• Menor desgaste del equipo y de las mangueras de bombeo • Mayor cohesión del concreto fresco, y por tanto menos consumo
del acelerante (con mejores resistencias finales a la compresión) • Mayor adherencia a varios substratos y entre capas de concreto • Resistencias mecánicas superiores
Tabla 1: TAMIZ Mín. % Máx. % 0,125 4 12 0,25 11 26 0,50 22 50 1,0 37 72 2,0 55 90 4,0 73 100 8,0 90 100 16,0 100 100
Durante el tamizado, almacenamiento y manejo de los agregados, deben eliminarse partículas de tamaño superior a 8 mm, ya que pue-den bloquear la boquilla y dificultar la limpieza.
Es importante efectuar una buena clasificación de los agregados, y ninguna fracción debe constituir más del 30 % del total. El contenido de material triturado y de forma irregular no debe exceder el 10 %. A menudo, la mejora de la curva granulométrica de una arena natural mediante el uso de material triturado supone aumentos en la demanda de agua y disminución de la facilidad de bombeo y de la compactación. Por tanto, antes de utilizar materiales triturados como agregados, deben hacerse pruebas comparativas para deter-minar si la adición de dichos materiales mejora los resultados.
3.5.3 Aditivos: Plastificantes y superplastificantes
Los aditivos tienen como finalidad lograr propiedades específicas en el concreto fresco y en el endurecido mediante el método de proyec-ción por vía húmeda. El uso de aditivos no es una práctica nueva: los antiguos romanos utilizaban diferentes clases tales como sangre de cabra o grasa de cerdo para sus trabajos de mampostería, para mejorar las características de moldeo de los materiales. ¡El hecho de que sus construcciones siguen aún de pie, indica que esta gente tenía razón!
Si bien es cierto que los aditivos de concreto son más antiguos que el cemento Portland, su desarrollo, investigación y utilización han realmente ocurrido es en los últimos 30 años, todo ello debido a las exigencias en cuanto a aumentar la producción y a obtener materia-les de mayor calidad. Los reductores de agua tienen la función de mejorar la trabajabilidad del concreto y su capacidad de cohesión en el estado plástico; pueden provocar un aumento significativo del Un contenido elevado de material fino produce un concreto
cohesivo.
Dado que los márgenes de la cesta del tamiz son relativamente pequeños, frecuentemente conviene combinar dos o más fraccio-nes, p. ej., 0 – 2, 2 – 4 y 4 – 8 mm, ajustando la proporción entre ellos, con objeto de elaborar una curva de granulometría que esté dentro de los límites de la curva ideal. La insuficiencia del material fino puede compensarse utilizando más cemento o microsílice; para compensar el exceso de dicho material, se aumenta la dosificación de aditivos reductores de agua.
La curva de distribución del tamaño de grano para el agregado debe caer en la región sombreada de la fig. 5.
Figura 5: Curvas de distribución recomendadas para los agregados de shotcrete
En lo posible, la cantidad de partículas de 8 mm no debe exceder el 10 %; en caso contrario, las partículas rebotarán durante la proyec-ción sobre superficies duras (al comenzar la aplicaproyec-ción), o pene-trarán el concreto ya colocado produciendo cavidades difíciles de rellenar. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.125 0.25 0.5 1.0 2.0 4.0 8.0 16.0 32.0 64.0 0.149 0.297 0.595 1.19 2.38 4.76 9.51 19.0 38.1 76.1 Tamiz ISO Por centaje r etenido
En los últimos años ha entrado al mercado una nueva generación de superplastificantes de alto rendimiento. GleniumTMes un
hiperplasti-ficante basado en un éter policarboxílico modificado que proporcio-na uproporcio-na excepcioproporcio-nal reducción del agua y uproporcio-na mayor retención de la trabajabilidad sin retardar el desarrollo de la resistencia inicial.
Figura 6: Los resultados de un ensayo de concreto de 28 días con varios plastificantes de alto rango muestran que GleniumTMproduce la menor porosidad capilar en comparación con los superplastifi-cantes tradicionales.
Los ensayos fueron llevados a cabo con concreto de la misma trabajabilidad (asentamiento o mesa de asentamiento):
sin aditivo con LS con BNS o MS con GLENIUM reducción de agua 150 l 138 l 123 l 99 l reducción de la relación agua/cementante
0.50 0.46 0.41 0.33 reducción de porosidad capilar
Ekap (vol.-%), 28 días
7.5 6.5 5.6 3.5
asentamiento con la misma relación agua/cementante, o bien dicha relación puede reducirse para alcanzar el mismo asentamiento que se obtendría para una mezcla carente del reductor de agua. La dis-minución de la relación agua/cementante está asociada con un aumento en la resistencia; el aumento del asentamiento, con una mejor facilidad de bombeo.
El método por vía húmeda tiene la ventaja de que la mezcla del creto y el añadido del agua se llevan a cabo bajo condiciones con-troladas y reproducibles, tales como las de una planta de concreto. Asimismo, la relación agua/cementante – uno de los factores funda-mentales de la tecnología del concreto – , se mantiene bajo control. Sin embargo, uno tiende a olvidar que los equipos requieren un con-creto fresco con gran facilidad de bombeo. Más aún, el método requiere una mayor cantidad de aditivos acelerantes de fraguado, lo cual puede conducir a la pérdida de la resistencia final del concreto. Hoy en día se utilizan con frecuencia combinaciones de lignosul-fonato, naftaleno y melamina a fin de obtener el mejor concreto posi-ble. Los naftalenos/melaminas (superplastificantes) son química-mente diferentes a los lignosulfonatos (plastificantes/reductores de agua); a los superplastificantes usualmente se les conoce como reductores de agua de alto rango porque pueden utilizarse en altas dosis sin los problemas de retardo de fraguado ni de inclusión exce-siva de aire que a menudo se observan con la adición de dosis altas de reductores de agua convencionales. La melamina forma una pelí-cula lubricante en las superficies de la partípelí-cula, el naftaleno carga eléctricamente las partículas de cemento de forma tal que se repelen entre sí, y el lignosulfonato disminuye la tensión superficial del agua. Cuando las partículas de cemento están bien dispersas, no sólo fluyen mejor sino que cubren mejor los agregados. El resultado es un concreto más resistente y trabajable.
Los superplastificantes/plastificantes tienen un efecto excelente en la dispersión de «finos», y por tanto son aditivos ideales y necesari-os para el shotcrete. El mayor asentamiento logrado por lnecesari-os super-plastificantes convencionales depende de las condiciones de tiem-po y temperatura. Sin embargo, la facilidad de bombeo puede mantenerse sólo por tiempo limitado (20 – 90 minutos) después de la mezcla, y una dosis excesiva de aditivos puede conducir a segrega-ción y a una pérdida total de la cohesión. Normalmente la dosifica-ción oscila entre 4 y 10 kg/m3según los requisitos de calidad,
rela-ción agua/cementante, consistencia requerida, así como también el tipo de agregado y de cemento.
está aún en el aire, de manera que se adhiera a la superficie cuando aumente el espesor de la capa.
Los acelerantes de fraguado posibilitan la proyección eficaz en superficies verticales y en clave. El efecto de fraguado permite apli-car el shotcrete como soporte inicial – una función importante en la técnica de excavación de túneles NATM (New Austrian Tunnelling Method). Generalmente, debido a las posibilidades de irrupción de agua (p. ej., desde la roca posterior), se exige una mayor proporción de aditivos para acelerar el fraguado del shotcrete.
Los acelerantes son añadidos en forma líquida mediante una bomba dosificadora especial (bomba de pistón o de gusano). La dosifica-ción del acelerante depende de la capacidad del operario, la super-ficie y la relación agua/cementante. Una relación agua/cementante elevada aumentará la necesidad de acelerantes a fin de reducir la consistencia.
Ahora bien, toda moneda tiene dos caras: un efecto secundario de los acelerantes tradicionales (basados en aluminato o water glass) es que disminuyen la resistencia final a los 28 días al compararse con la del concreto sin acelerantes. Por tal motivo, es importante siempre mantener el consumo de acelerantes a un mínimo (menor consumo en las paredes que en la clave).
La diferencia básica entre los acelerantes de aluminato y los de sili-catos sódicos modificados/water glass, es que los de aluminato par-ticipan en el proceso de hidratación y contribuyen a aumentar las resistencias iniciales en las primeras 0,5 – 2 horas (1 – 2 MPa).
3.5.4.1 Comportamiento químico de los acelerantes de aluminato durante el proceso de hidratación
El clínquer Portland pulverizado reacciona espontáneamente con agua para formar una masa endurecida que adquiere una alta resi-stencia a la compresión al cabo de unos cuantos minutos. Dada la rapidez de esta reacción, estos clinquers son utilizados únicamente en casos especiales, tales como materiales de adherencia para el concreto. Para facilitar la operación, es necesario agregar de 2 a 5 % de sulfato de calcio (CaSO4).
El sulfato de calcio reacciona con C3A (aluminato tricálcico), una de
las cuatro fases importantes del clínquer durante la formación de GleniumTM es una molécula compleja y flexible compuesta de
gru-pos funcionales de cadenas de diferentes longitudes. La mezcla de agua con cemento inicia una reacción química (hidratación); el agua se absorbe en la superficie de las partículas de cemento, y éstas se disuelven rápidamente. Las moléculas de GleniumTMson atraídas a
la superficie de las partículas de cemento durante la mezcla y aumentan la carga negativa en la superficie, provocando así la re-pulsión electrostática. Esto trae como resultado un gran mejora-miento de la dispersión de las partículas de cemento y consiguiente mejora de la trabajabilidad, a pesar del menor contenido de agua. Las moléculas de GleniumTM tienen cadenas laterales muy largas
que también desarrollan impedimento estérico, mejorando adicio-nalmente la capacidad de las partículas de cemento de mantener una distancia de separación entre sí y aumentando aún más el efec-to de dispersión.
GleniumTM actúa en un mecanismo de dos pasos que prolonga el
tiempo de trabajabilidad del concreto fresco. Como parte de sus mecanismos de reacción química, se incorpora una segunda molé-cula que reacciona después de la primera. El aumento de alcalinidad del concreto durante la mezcla y el vaciado activa la segunda molé-cula. Esta acción de retardo larga el tiempo de trabajabilidad sin los usuales efectos secundarios de retardo en los tiempos de fraguado finales y en las resistencias tempranas.
El uso de GleniumTMtiene varias ventajas:
• Altísima reducción del agua (>40 %) • Baja porosidad capilar
• Gran extensión de la trabajabilidad, con la menor relación posible de agua/cementante
• Alta cohesividad, facilidad de bombeo • Rápido desarrollo de la resistencia
El policarboxilato GleniumTM tiene ya amplio uso en combinación
con los acelerantes libres de álcalis. Este material representa el futu-ro de los aditivos del shotcrete.
3.5.4 Acelerantes de fraguado tradicionales
El método por vía húmeda requiere añadir aditivos acelerantes de fraguado en la boquilla, los cuales principalmente reducen el asenta-miento (consistencia) en el momento de la proyección, pasando de una consistencia líquida a una pastosa mientras que el concreto
Los acelerantes de aluminato comienzan a desarrollar resistencia después de 5 – 10 min, y después de 20 – 30 min la resistencia ha alcanzado un valor suficientemente alto (>0,4 MPa) como para que la capa de shotcrete pueda soportar su propio peso. Por tanto, estos acelerantes permiten proyectar el concreto con capas más gruesas que los silicatos de sodio modificado o water glass. Los espesores típicos oscilan entre 20 – 50 cm (en clave).
Normalmente se hace la proyección de una primera capa de 6 – 10 cm en toda el área a recubrir. Una vez finalizada esta operación, se habrá desarrollado suficiente resistencia como para hacer la proyec-ción de una nueva capa de 10 cm. El proceso se repite hasta llegar al espesor deseado.
Los acelerantes de aluminato son igualmente apropiados para situa-ciones caracterizadas por problemas de agua. En estos casos, el procedimiento normal de proyección es formar una capa muy del-gada de shotcrete con una sobredosis de acelerante de aluminato (8 – 10 % del peso de cementante) y esperar 30 min hasta que dicha capa haya adquirido la resistencia suficiente como para soportar la presión de agua. Seguidamente se continúa la proyección hasta lle-gar al espesor deseado.
Las desventajas de los acelerantes de fraguado basados en alumi-natos son las siguientes:
• Mayor disminución de la resistencia final que la obtenida con los silicatos sódicos modificados (>30 – 50 %)
• No funcionan igual con todo tipo de cemento, y por tanto es necesario determinar su reactividad con el cemento a utilizarse antes de comenzar la proyección.
• Tienen valores de pH elevados (>13), por lo que pueden causar daños en la piel, los ojos, etc.
Es importante tomar medidas de precaución durante el manejo y uso de este tipo de acelerantes. El personal encargado del manejo y de la proyección del material debe siempre usar guantes, careta y lentes de protección; debe evitarse el contacto directo del material con la piel.
etringita. La etringita rodea cada partícula de cemento como una capa densa que retarda (pero no impide) el acceso adicional de agua a la superficie de cemento. Debido a esta reacción retardada de la pasta de cemento, el concreto mantiene su trabajabilidad durante cierto tiempo. Una vez que todos los sulfatos se consumen y se unen a la etringita, los aluminatos sobrantes reaccionan nuevamen-te con etringita y eliminan los sulfatos, al mismo tiempo que forman un «monosulfato», el cual es más permeable a agua; esto permite nuevamente una reacción adicional más rápida del cemento. Al añadir acelerantes de fraguado basados en aluminato, se produce un aumento repentino del contenido de aluminatos requerido para for-mar monosulfatos. Esto permite una hidratación normal espontánea del cemento, y conduce a altas resistencias iniciales a la compresión. Las características normales de fraguado para los acelerantes de aluminato son:
inicio del fraguado: < 60 segundos* final del fraguado: < 3,5 minutos*
(* Ensayo con el equipo de aguja Vicat [manual].)
Figura 7: Comportamiento del fraguado de un acelerante líquido con base de aluminato de alta eficiencia
Los acelerantes de aluminato son utilizados preferiblemente en apli-caciones de rocas blandas con alta deformación, y en aquellas donde se requieren soportes de alta resistencia inicial y espesores grandes (>15 cm) en tiempos cortos después de la excavación.
Minutos
Criterio principal para los acelerantes de aluminato: Características del cemento a utilizar
C3A 5–10 %, preferiblemente 7–9 %
Blaine >3500, preferiblemente >4000 m2/kg
También depende de la mezcla de cenizas volantes, escoria y yeso.
3.5.4.2 Silicatos sódicos modificados/water glass
Los silicatos sódicos modificados/water glass se caracterizan por un efecto momentáneo (<10 segundos) de pérdida del asentamiento de la mezcla de shotcrete, y no participan en el proceso de hidratación tal como lo hacen los acelerantes de aluminato (si las dosificaciones no exceden 20 % del peso del cementante).
Los silicatos sódicos modificados fijan el agua en la mezcla; por tal motivo la dosificación depende de la relación agua/cementante: mientras mayor sea dicha relación, más silicato sódico modifica-do/vidrio soluble se requerirá para «fijar» el agua a la mezcla. Los silicatos sódicos modificados o water glass no producen resi-stencias muy elevadas durante las primeras 2 – 4 horas. Depen-diendo del tipo de cemento y de la temperatura, se llega al fraguado final en tiempos mayores de 30 minutos.
Ventajas
• Funcionan con toda clase de cemento
• Menor disminución de las resistencias finales que las obtenidas con los acelerantes de aluminato a dosificaciones normales (4 – 6 %) • Muy buen efecto aglomerante
• No causan daños al medio ambiente ni son tan dañinos para la piel. El pH es <12, pero así y todo es importante evitar su contac-to con la piel. Siempre se deben utilizar guantes y lentes de pro-tección.
• Menor contenido de álcalis que los productos basados en alumi-natos (<8,5 % de Na2O).
Desventajas
• No pueden utilizarse a temperaturas inferiores a +5°C. • Espesor limitado: máx. 8 – 15 cm
Las dosificaciones típicas de acelerantes de fraguado con base de aluminatos oscilan entre 4 – 8 % del peso del material cementante.
Existen dos clases de acelerantes de fraguado con base de alumina-tos:
• Aluminatos sódicos • Aluminatos potásicos
Los acelerantes de aluminato potásico funcionan con una mayor variedad de cementos y normalmente ofrecen un fraguado más rápi-do y mayor resistencia inicial que los acelerantes de aluminato sódi-co.
Prueba de fraguado con acelerantes de aluminato
1) 30 – 32 g de agua 2) 100 g de cement
3) Mezclar durante 2 – 3 minutos hasta obtener una pasta de cemento homogénea.
4) Añadir 6 g del acelerante específico del proyecto.
5) Mezclar enérgicamente a mano durante un máximo de 15 segun-dos a fin de distribuir bien el acelerante en la pasta de cemento. Nota: Evitar mezclar por más de 15 segundos; de lo contrario se correrá el riesgo de deteriorar el proceso de fraguado.
6) Formar una masa con la pasta de cemento acelerada y colocarla en el equipo de ensayo Vicat.
7) Utilizar únicamente el equipo de aguja Vicat manual (no el automático).
8) Llevar a cabo el ensayo para determinar el inicio del fraguado y anotar los resultados. La aguja debe detenerse a 1 – 2 mm del fondo.
9) Llevar a cabo el ensayo para determinar el fraguado final y anot-ar los resultados. Es posible que la aguja no penetre la pasta de cemento.
Criterios de fraguado
Inicio de fraguado Final de fraguado <30 s Bueno <3 min Bueno <60 s Aceptable <4 min Aceptable >60 s No aceptable >4 min No aceptable
Nota: Recientemente se hizo una prueba en Noruega, en la cual se determinó la resistencia de un shotcrete por vía húmeda hace 18 años; la resistencia obtenida fue la misma que tenía el material a los 28 días. Estos resultados contradicen las declaraciones de algunos: la calidad del concreto con acelerantes de silicato sódico modifica-do no representa ningún problema hasta resistencias de 60 MPa.
3.5.5 Acelerantes de shotcrete libres de álcalis
Hoy en día, en el mercado de acelerantes de shotcrete se hace énfa-sis en la seguridad para las personas y para el medio ambiente. Por ejemplo, Francia, Suiza, Hong-Kong, Singapur y Austria prohíben utilizar acelerantes de aluminato cáusticos debido a los riesgos para la salud del personal. De acuerdo con la información suministrada en la reunión «ITA Working Group on Sprayed Concrete» (Washington, 1996), los problemas de salud ocasionados por la proyección por vía seca constituyeron una razón importante del aumento del mercado del método por vía húmeda en Brasil.
Además, han aumentado los requisitos de fiabilidad y durabilidad de las estructuras de concreto. Ciertos problemas tales como pérdida de resistencia o efectos de filtrado que se piensa son causados por acelerantes alcalinos fuertes, han forzado a la industria a buscar soluciones y crear productos que exhiban un mejor rendimiento. Tradicionalmente, los operarios de shotcrete han estado «acostum-brados» al exceso de polvo y a los problemas de salud: quemaduras de la piel, riesgo de pérdida de la vista e incluso lesiones personales causadas por caída de rocas (especialmente en el caso de la proy-ección manual de mezclas secas, con acelerantes de aluminato cáu-sticos y mallas sobre substratos no soportados). Hoy día, por lo general (y dependiendo de la región del planeta) ya no se aceptan tales condiciones nocivas.
Durante la última década, la industria de la construcción ha estado a la búsqueda de acelerantes de shotcrete que sean más seguros y mejoren el rendimiento. Actualmente existen en el mercado produc-tos libres de álcalis y no cáusticos de buen rendimiento, que hacen posible aplicaciones de shotcrete de alta calidad, eficientes y económicas. Ya no se justifica el uso de productos peligrosos tales como los tradicionales aluminatos cáusticos y silicatos sódicos industriales cáusticos. Nosotros favorecemos una prohibición total de estos tipos de productos. Si bien MBT está aún comerciando con
3.5.4.3 Campos de aplicación
• Aplicaciones de soporte permanente
• Aplicaciones de soporte temporal, en donde no se requieran resi-stencias iniciales (condiciones de roca dura)
• Trabajos de reparación
• Lugares con un espesor máximo limitado (10 – 15 cm) de aplica-ciones en clave.
3.5.4.4 Dosificaciones típicas
Silicatos sódicos modificados: 3 – 6 % por peso.
Normalmente se recomienda no utilizar water glass (e incluso se prohíben) debido a que se requieren altas dosificaciones (>10 – 12 %, normalmente 20 %), las cuales disminuyen la resistencia, producen resultados de mala calidad y dan un falso sentido de seguridad. La norma EFNARC (Especificación Europea del Shotcrete, 1996) limita la dosificación máxima a 8 % del peso del material cementicio para el uso de acelerantes líquidos.
Ciertos expertos europeos creen erróneamente que los acelerantes de silicato sódico modificado llevan a mayor pérdida de calidad que los de aluminato, y basan esa creencia errónea en los resultados de un pequeño número de pruebas de laboratorio realizadas con altas dosificaciones de water glass (15 – 20 %) y un concreto con una rela-ción agua/cementante de 0,7 – 0,8. Estas condiciones son totalmente diferentes a las utilizadas en la práctica, y por tanto es incorrecto sacar conclusiones a partir de dichos resultados.
Igualmente, el efecto de los silicatos sódicos modificados en la reducción de la resistencia final depende de las condiciones de curado. Con una dosificación de 15 % del peso de cemento, se podría producir una pérdida de resistencia del 50 %; si las muestras se curan en agua, la pérdida se reduce al 30 %.
Los resultados de pruebas de curado a largo plazo demuestran resi-stencias finales iguales a las del concreto sin acelerantes. En la mayoría de las aplicaciones que tienen una dosificación razonable de silicatos (3 – 6 %) y un buen control de calidad, se aceptan pérdi-das de resistencia menores que 20 %. En la práctica, las pérdipérdi-das oscilan entre 10 y 15 %.
