análisis del concreto lanzado como revestimiento definitivo para
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ANÁLISIS DEL CONCRETO LANZADO COMO REVESTIMIENTO DEFINITIVO PARA TÚNELES JORGE ANDRÉS MARTINEZ VARGAS PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. DICIEMBRE DE 2011 1 ANÁLISIS DEL CONCRETO LANZADO COMO REVESTIMIENTO DEFINITIVO PARA TÚNELES JORGE ANDRÉS MARTINEZ VARGAS Director: Ingeniero HÉCTOR SALAZAR BONILLA PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. DICIEMBRE DE 2011 2 AGRADECIMIENTOS A Dios, a mi papá Jorge Martinez, a mi mamá Liliana Vargas, a mis hermanas Ángela y Laura Martinez y a Maria Paula Fernández por apoyarme y darme la oportunidad de formarme como persona e ingeniero. Al ingeniero Héctor Salazar, director de la tesis y colaborador incansable en la realización de la misma. Al personal del túnel de Daza por la ayuda con material para ensayos y la asesoría brindada. Al personal de laboratorio de resistencia de materiales de la Pontificia Universidad Javeriana por la colaboración prestada durante la realización de los ensayos. A todas aquellas personas que de una u otra manera colaboraron y se vieron involucradas en el desarrollo de esta tesis. 3 CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 6 2. OBJETIVOS ............................................................................................................................................ 7 3. 4. 2.1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................................... 7 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................... 7 ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN .............................................................................................. 7 3.1 ANTECEDENTES .................................................................................................. 7 3.2 JUSTIFICACIÓN .................................................................................................... 8 MARCO TEÓRICO ................................................................................................................................ 9 4.1 FUNCIONES Y CLASIFICACIÓN DE LOS TÚNELES ....................................... 9 4.2 INFRAESTRUCTURA ACTUAL Y FUTURA DE TÚNELES EN COLOMBIA . 9 4.3 REVESTIMIENTO EN TÚNELES VIALES ........................................................ 15 4.3.1 GENERALIDADES .................................................................................................... 15 4.3.2 SOPORTE ................................................................................................................. 15 4.3.3 REVESTIMIENTO ...................................................................................................... 19 4.3.4 DISEÑO ................................................................................................................... 22 4.3.5 SISTEMA CONSTRUCTIVO ........................................................................................ 33 4.4 REVESTIMIENTO EN CONCRETO LANZADO ............................................... 41 4.4.1 GENERALIDADES .................................................................................................... 41 4.4.2 CONCRETO LANZADO ............................................................................................. 42 4.4.3 MATERIALES CONSTITUYENTES DEL CONCRETO LANZADO ..................................... 43 5. ENSAYOS DE LABORATORIO......................................................................................................... 90 5.1 OBJETIVOS .......................................................................................................... 90 5.2 DESCRIPCIÓN Y PROCEDIMIENTO ................................................................ 90 5.2.1 ABSORCIÓN DE ENERGÍA ......................................................................................... 90 5.2.2 RESISTENCIA FLEXURAL ......................................................................................... 95 5.3 RESUMEN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ..................................................... 99 5.3.1 RESULTADOS DE PANELES RECTANGULARES........................................................... 99 5.3.2 RESULTADOS DE VIGAS RECTANGULARES ............................................................. 111 4 6. BENEFICIOS TÉCNICOS Y ECONÓMICOS DEL REVESTIMIENTO DEFINITIVO EN CONCRETO LANZADO ............................................................................................................................ 120 6.1 COMPARACIÓN DE LOS COSTOS DEL CONCRETO LANZADO Y EL CONCRETO CONVENCIONAL .................................................................................. 120 6.2 PLAZOS .............................................................................................................. 122 7. CONCLUSIONES ............................................................................................................................... 124 8. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................. 125 5 1. INTRODUCCIÓN En la actualidad, el concreto lanzado es un elemento indispensable en la construcción de túneles alrededor del mundo. Si bien su uso es generalizado como elemento de soporte, su uso como revestimiento definitivo es nuevo en Colombia. El uso de fibras sintéticas le brinda características de ductilidad y tenacidad permitiéndole obtener condiciones más seguras junto con aumentos en los índices de seguridad y reducción de costos. A nivel mundial, existen ejemplos de varios países donde la tecnología del concreto lanzado ha alcanzado niveles muy altos y en donde los estudios han demostrado grandes ventajas técnicas y económicas de esta tecnología. En Colombia, con la construcción de nuevos túneles como los de la ruta del sol o los de la segunda calzada a Villavicencio, se busca construir proyectos con mejores características a menores costos. Esto aumentaría la cantidad de túneles que tienen revestimiento en concreto lanzado y mejoraría la competitividad de nuestro país a nivel regional. Un aspecto importante del concreto lanzado es su reforzamiento con fibras el cual ha demostrado ofrecer beneficios substanciales en comparación con el refuerzo arcos o mallas de acero. La aceptación del uso del concreto lanzado como revestimiento enfrenta obstáculos por parte de algunos diseñadores que no saben de sus ventajas y usos. En la actualidad lo que se cree, es el que concreto lanzado trabaja más en el reforzamiento de la roca que en el soporte de la misma. Una forma de aproximarse a un buen diseño es basándose en las experiencias de distintos países los cuales hacen uso de ecuaciones o modelos tales como el de Barton Q o el uso de la experiencia del diseñador. En estos casos, los resultados han brindado reducciones de espesores de la capa de recubrimiento de 1 m hasta los 10 o 15 cm, sin comprometer la integridad. El siguiente trabajo busca demostrar las ventajas que brinda el uso del concreto lanzado como revestimiento en los túneles viales. También pretende ofrecer oportunidades a nuevos trabajos de investigación donde se estudie más afondo esta tecnología. 6 2. 2.1 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Analizar los beneficios del concreto lanzado como revestimiento definitivo en túneles en comparación con el uso de concreto convencional. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 2.1 Identificar los criterios para la selección de los distintos tipos de revestimiento en concreto para túneles. 2.2 Establecer los beneficios técnicos y económicos del concreto lanzado como revestimiento definitivo en un túnel según sus características en condiciones Colombianas. 3. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN 3.1 ANTECEDENTES La necesidad actual de mejorar la competitividad de nuestro país dentro de un modo globalizado, ha llevado al gobierno colombiano a planificar los próximos años más de 100 kilómetros de túneles de altas especificaciones, de los cuales el 70% está planeado como parte del mejoramiento de los corredores viales actuales. Con el objetivo de lograr implementar dicha cantidad de túneles, se busca valerse de nuevas tecnologías usadas en el mundo que permiten optimizar los procesos constructivos con altas calidades, en términos de seguridad y comportamiento estructural (ITA, 2010). La tendencia internacional es reforzar los túneles con el uso del método definido por Knut Garshol (1997) como “single shell sprayed concrete lining” o revestimiento de concreto lanzado mediante monocapa (Garshol, K. 1997). Este método propone el empleo del concreto lanzado, tanto como soporte primario como revestimiento definitivo. Reemplazando los sistemas tradicionales de estructuras de hormigón “cast-in-place” (Proenca, A. M. 1999) o a los segmentos prefabricados colocados dentro del sostenimiento temporal, con esta metodología se aprovecha el soporte primario –antes considerado como de sacrificio–, y adicionando otra capa permanente se establece como revestimiento definitivo (Dimmock, R.H. et ál. 2001). La aplicación de esta técnica ha aumentado su popularidad en la última década. Sus notorias ventajas: alto rendimiento, facilidad, versatilidad al trabajarse y flexibilidad en su aplicación, aunado a la alta tecnología desarrollada en el concreto y su adaptabilidad a complejas geometrías de los túneles, junto con el desarrollo moderno de obras de alta ingeniería, contribuye al aumento de su aplicación (Claussen, H. 2010). La facilidad que presenta al trabajarse brinda un mayor rendimiento y un avance más eficiente. Las mejoras en los controles de la calidad del cemento, los diseños de mezclas, el uso de productos acelerantes no alcalinos (Storås et ál. 1999) y aditivos reductores de agua 7 (Garshol, K.et ál. 1999), han llevado a la utilización de mezclas húmedas que contribuyen de manera notoria a la calidad final del concreto lanzado. Adicional a lo anterior, el uso de fibras y equipos de colocación, tales como bombas y pistolas, aportan, evidentemente, la calidad final. Estas mejoras permiten ampliar las posibilidades de diseño y de modificación de las características para requerimientos específicos en los proyectos. En el empleo de esta técnica hay múltiples variantes que deben ser sometidas a control, con el fin de implementar este revestimiento definitivo y lograr una aplicación óptima (Gelson J. et al., 2009), lo cual mejora los resultados hasta ahora obtenidos con el método tradicional. Estas variables entran a desempeñar un papel definitivo, desde el diseño hasta la puesta en operación del túnel. Como ejemplos, encontramos varios proyectos alrededor del mundo, en donde el manejo del concreto lanzado como revestimiento definitivo, junto con otras tecnologías, han permitido alcanzar los requerimientos técnicos establecidos para cada uno y disminuciones evidentes en plazos y costos de construcción, además, un obvio aumento en los niveles de seguridad. Por mencionar algunos, encontramos el túnel carretero submarino de Hvalfjördur en Islandia, con una capa de concreto lanzado como recubrimiento primario de entre 60 y 80 milímetros y una capa final de 20 milímetros como revestimiento definitivo (ITA/AITES, 2005). El proyecto de la central eléctrica de Nathpa Jakry, en India, en un comienzo se diseñó con hormigón vaciado en sitio de 300 milímetros de espesor e inyecciones de consolidación. Sin embargo, al iniciarse la construcción, se propuso sustituir este revestimiento por concreto lanzado, con un espesor de 100 milímetros, reforzado con pernos de anclaje y fibra. Finalmente, luego de varios estudios, se estableció una capa de 50 milímetros y una segunda que variaba entre 100 y 150 milímetros. Al hacerse estos cambios, se logró un ahorro cercano al 15% en los costos de fortificación y la reducción a diez meses en el tiempo de construcción (Sharma, H.K. et ál. 2008). 3.2 JUSTIFICACIÓN En Colombia, la utilización de esta tecnología apenas está desarrollo. Entre estos encontramos el túnel de Daza en Pasto, que se halla en construcción y tiene una longitud de 1.6 kilómetros en concreto lanzado como revestimiento definitivo. Otro, es el túnel de Dosquebradas, el cual posee una primera capa de concreto lanzado reforzado con un espesor de 20 milímetros, fibras metálicas de 30 kg/m³, arcos metálicos en celosía como soporte definitivo y una capa final de 7 mm (Jaramillo, Fabio. 2008). Los ejemplos citados anteriormente demuestran que el empleo del concreto lanzado como revestimiento definitivo es todo un éxito y efectivo al lograr mejoras en plazos y costos de construcción, así como un aumento en los niveles de seguridad. Sin embargo, algo que ha sido observado en varios países, es que haciendo uso de los mismos principios del concreto lanzado, cada uno ha hecho modificaciones a los sistemas constructivos y ha implementado distintas tecnologías (ITA, 2010). En Colombia, el poco conocimiento de esta tecnología y sus ventajas hacen que la aplicación del mismo sea una fuente de investigación y una puerta de entrada a un sistema que brindaría numerosas ventajas. Esto hace necesario investigar la aplicación de esta tecnología en proyectos nacionales, lo cual 8 conlleva a que el aporte brindado por esta tesis complemente y ayude a la aplicación de este revestimiento en nuestro país. A su vez, brindar información a un proyecto en específico y proporcionar nuevas pautas para planes a futuro. 4. MARCO TEÓRICO A continuación se hace una recopilación de los proyectos de infraestructura subterráneos diseñados y construidos, así como los planeados a corto, mediano y largo plazo. Lo anterior, como introducción a las condiciones del país, en términos de túneles viales. Esta exposición se hace con el fin de generar conciencia de la importancia de la infraestructura subterránea para nuestro país, y así crear una base sólida para la posible aplicación de dar una introducción a las condiciones de las obras subterráneas. Aquí, un breve recorrido por los ya diseñados y construidos que forman parte de proyectos de infraestructura vial. 4.1 FUNCIONES Y CLASIFICACIÓN DE LOS TÚNELES Túneles hidráulicos de alcantarillado y saneamiento: son sistemas de conducción de aguas servidas, necesarios en los sistemas de saneamiento y alcantarillado de los centros urbanos. Túneles viales o de carreteras, ferrocarriles y canales: túneles dedicados al paso de vehículos, trenes y metro. Los túneles viales se definen como conductos subterráneos construidos para que el tránsito de vehículos pueda superar con mayor facilidad zonas montañosas o de relieve especialmente abrupto. Túneles de conducción de agua a presión: para el transporte de agua a presión desde una presa o embalse de aprovechamiento hidroeléctrico hasta las turbinas de una central de producción de energía eléctrica aguas abajo, por ejemplo. 4.2 INFRAESTRUCTURA ACTUAL Y FUTURA DE TÚNELES EN COLOMBIA Primero se plantea un resumen de la infraestructura actual y a futuro de túneles en Colombia. Las tablas muestran la cantidad de kilómetros de túneles construidos y a construir. 9 4.2.1 Túneles viales Túneles viales construidos en Colombia antes del 2002 Ubicación Longitud Túnel (m) Dagua-Valle del cauca 220 Buenaventura I Dagua-Valle del cauca 130 Buenaventura II Dagua-Valle del cauca 100 Buenaventura III Dagua-Valle del cauca 85 Buenaventura IV Dagua-Valle del cauca 480 Buenaventura V Santa Maria-Boyaca 1640 El polvorín Sutatenza-Boyaca 205 Las juntas Garagoa-Boyaca 290 Pozo azul Macanal-Boyacá 234 El volador Macanal-Boyacá 612 El ventarrón Macanal-Boyacá 634 El salitre Macanal-Boyacá 90 El trapiche Santa Maria-Boyaca 400 La esmeralda Santa Maria-Boyaca 475 La presa Santa Maria-Boyaca 770 Pluma de agua Santa Maria-Boyaca 420 La cascada Santa Maria-Boyaca 350 Moyas Santa Maria-Boyaca 134 Muros I Santa Maria-Boyaca 350 Muros II Garagoa-Boyaca 488 El Infierno Taminango-Nariño 204 La Llana Chachagui-Nariño 205 Peñaliza Riosucio-Caldas 180 El espejo Guayabetal-Cundinamara 726 Quebradablanca Dabeiba-Antioquia 435 La Llorona Florencia-Caquetá 240 Caquetá I Florencia-Caquetá 412 Caquetá II Florencia-Caquetá 208 Caquetá III Florencia-Caquetá 171 Caquetá IV Villavicencio-Meta 185 Bijagual Villavicencio-Meta 4520 Buenavista-Misael Pastrana Borrero 2405 Boquerón-Argelino Bogotá-Cundinamarca Duran Quintero 235 Túnel Guarne- Copacabana-Antioquia Ascenso Tipo Revestimiento CC y RN CC y RN CC y RN CC y RN CC y RN RN RN RN RN RN RN RN RN RN RN RN RN RN RN RN CL CL RN RN RN CC CC CC CC CC CC de CC CC y RN 10 Túnel Descenso Guarne- Copacabana-Antioquia TOTAL METROS 295 CC y RN 18528 Tabla 1. Algunos túneles viales construidos en Colombia antes de 2002 (Gil, Juan. et al. 2010.) Túneles viales construidos en Colombia después del 2002 Ubicación Longitud Túnel (m) 4603 Fernando Gómez Medellín-Antioquia Martínez-Occidente Calarca-Quindio 8554 Piloto de la línea Calarca-Quindio 326 La Estrella Calarca-Quindio 883 Los Robles Calarca-Quindio 611 Los Chorros 127 Peña San Pablo- Girón-Santander Túnel falso Guayabetal118 Falso a los Llanos Cundinamarca Dosquebradas-Risaralda 125 Helicoidal 4206 Guillermo León Icononzo-Tolima Valencia-Sumapaz TOTAL 19553 Tipo de Revestimiento CC SE (sin terminar) (sin terminar) (sin terminar) PA Soporte Estructural CL CC Tabla 2. Algunos túneles viales construidos en Colombia después del 2002 (Ibíd.) Túneles viales en construcción Ubicación Túnel Centenario II-La Calarca-Quindio Línea Pasto-Nariño Daza Buenaventura No. 8 Dagua-Valle del Cauca TOTAL Longitud (m) 8763 Tipo de Revestimiento CL y CC 1735 300 10798 CL CL y CC Tabla 3. Algunos túneles viales en Colombia en construcción (Ibíd.) Convenciones CC: concreto convencional CL: concreto lanzado CHC: concreto hidráulico convencional PA: pórticos acero 11 SE: soporte estructural RN: roca natural Túneles viales en diseño Túnel La quiebra Segunda Calzada Villavicencio Ubicación Carretera Medellín-Barbosa Carretera Bogotá Villavicencio Carretera Medellín-Rionegro Santa Elena Carretera Medellín -Urabá Toyo Villeta – El Korán Ruta del Sol I Sector 1 Villeta – El Korán Ruta del Sol II Sector 1 Villeta – El Korán Ruta del Sol III Sector 1 Bogotá-La Calera La Aurora Girardot-Ibagué Gualanday Medellín Lateral al rio Bogotá Cerros Orientales Bogotá-Honda Cocoló Autopistas de la Montaña (131 Antioquia túneles) TOTAL Longitud (m) 3.400 14.500 8.200 4.900 2 x 2.180 2 x 960 2 x 750 1.600 1.810 5.300 5.000 6.100 87.000 137.810 Tabla 4. Algunos túneles viales construidos en Colombia en etapa de diseño (Ibíd.) 4.2.2 Túneles hidráulicos Túneles hidráulicos construidos en Colombia Longitud Túnel 14,000 Amoya 6,000 Anaime 10,000 Calima 30,000 Chingaza 1,120 Chivor I, carga inferior 5,850 Chivor I, carga superior 5,547 Chivor II 8,588 Colegio 3,800 Guarino-Miel 40,000 Guavio 4,500 Manso-Miel 12,425 Mesitas, Granada I y II 1,282 Mesitas, Paraíso 12 6,432 10,000 10,600 9,200 1,583 8,000 2,000 3,500 14,000 208,427 Miel 1 Porce II Rionegro-Chivor Rosales Salvajina San Carlos San Rafael Sonsón Tunjuelito-Chivor TOTAL (m) Tabla 5. Algunos túneles hidráulicos construidos en Colombia (Ibíd.) La siguiente grafica muestra la longitud de túneles construidos en Colombia entre los años cincuenta y el 2003. Se evidencian dos periodos donde la construcción de túneles es nula debido a dos décadas marcadas por problemas de orden político y militar. Longitud Construida (%) 50.00% 46.30% 45.00% 40.00% 35.00% 27.46% 30.00% 25.00% 20.01% 20.00% 15.00% 10.00% 6.23% 5.00% 0.00% 1950-1960 1960-1970 1970-1980 1980-1990 1990-2000 2000-2003 Grafico 1. Longitud total de túneles construidos en Colombia antes del 2003 (Ibíd.) Según información obtenida de la presentación del Ing. Daniel Pérez en la página de internet de la Universidad Nacional, el tipo de sostenimiento usado en túneles durante la última mitad de década se divide de la siguiente forma: 13 Longitud Construida (%) Tipos de Soporte 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Autosoporte Concreto lanzado Concreto lanzado + Pernos Concreto Arco metalico Arco metalico lanzado + + Entibado de Pernos + Malla acero Grafico 2. Tipo de soporte de los túneles construidos en Colombia (Ibíd.) El autosoporté comprende el uso de la capacidad de la roca a resistir esfuerzos por lo que se hace uso ocasional de o nulo de pernos. En el caso del concreto lanzado se repite el uso ocasional o nulo de los pernos. La malla se usa en conjunto con concreto lanzado y pernos. Tipo de Revestimiento 45.00% 40.63% 40.00% 35.00% 30.00% 24.83% 25.00% 17.42% 20.00% 12.87% 15.00% 10.00% 5.00% 0.19% 2.70% 0.00% Concreto Pórticos de acero Concreto hidráulico convencional Soporte estructural Sin revestimiento Concreto lanzado Grafico 3. Tipo de revestimiento de los túneles construidos en Colombia (Ibíd.) 14 El grafico anterior muestra el predominio del concreto convencional como sistema de revestimiento en túneles viales en Colombia. Por otra parte, el concreto lanzado muestra un pequeño porcentaje dentro del marco general de túneles en Colombia, esto se debe a que solo esta tecnología se encuentra primordialmente en los túneles en proceso de construcción como el túnel de la Línea-Centenario II, Daza, Buenaventura y Bogotá-Villavicencio. 4.3 REVESTIMIENTO EN TÚNELES VIALES 4.3.1 Generalidades El revestimiento es una estructura necesaria en la mayor parte de los túneles, que se usa siempre en suelos blandos y en las rocas. Por lo general, esta estructura es fabricada en concreto y se utiliza con dos fines: en cuanto a estructura, para contener y soportar el terreno, y operacionalmente, para brindar una superficie interna que sea adecuada y cumpla las funciones del túnel. El revestimiento debe cumplir con unos requisitos principales que ofrezcan una construcción segura, económica y una amplia adaptabilidad frente a las variaciones presentes en el proceso de construcción. Estos tienen en cuenta los siguientes aspectos: vida útil, seguridad, tolerancias dimensionales, costos de operación y mantenimiento y calidad de la superficie final (Suarez et al., 2009). Los requerimientos principales que deben cumplir los revestimientos estructurales son: (Linares, A. 1972): 1. Proporcionar el apoyo estructural necesario. 2. Controlar o eliminar la entrada o escape de agua. 3. Ajustarse a la sección de operación. Al cumplir los requisitos, el sistema de revestimiento a escoger deberá permitir una construcción segura y económica. Las características a tener en cuenta en la construcción de túneles viales, son: su geometría, iluminación, ventilación, control del tráfico, sistemas de seguridad, medidas contra incendios, instalaciones de mantenimiento y de limpieza, y de servicios públicos. Considerando que un túnel vial es parte de un proyecto que se diseña con base en su capacidad de tráfico, se ha encontrado que éstos manejan valores superiores a los nominales del sistema al que pertenecen, razón por la cual el tráfico entra a ser un factor principal para determinar la geometría del túnel, su alumbrado y su ventilación. 4.3.2 Soporte Al momento de excavar un túnel, se altera el equilibrio existente en el terreno, motivo por el cual es imprescindible establecer un sistema de soporte que controle los esfuerzos y 15 deformaciones que antes eran asumidos por la roca y ahora deben ser controlados mediante estructuras de apoyo. Por una parte, en roca homogénea y sólida se genera una acción de arco que en muchos casos hace que sea innecesario el soporte adicional. Por otra, en un terreno blando y plástico se desarrolla una condición semejante a la presión hidrostática y hace necesario poner un soporte adicional. En la mayoría de túneles se presentan estos dos casos, lo que hace necesario realizar cambios según el tipo de terreno, y hace que la labor de diseño del soporte sea más compleja. El soporte en túneles es utilizado para proteger al personal y los equipos que operan en él, minimizar los movimientos del suelo o roca que puedan llegar a causar daños a las estructuras, y también para garantizar que el túnel cumpla con la función para la cual fue diseñado. Las dos primeras funciones son cumplidas con un soporte temporal, mientras que la tercera función se cumple con un revestimiento final de concreto. El concreto lanzado sirve como soporte temporal y final, y es por esto que su empleo en proyectos de túneles se ha incrementado. Existen dos tipos de métodos se soporte en roca (Mussak, J. 2008): 1. Soporte pasivo: son los métodos que proveen una restricción superficial a la masa de roca mediante la instalación de elementos estructurales en la superficie. Por ejemplo, apoyos de madera, arcos de acero, packs de madera, mallas y concreto lanzado. A estos métodos se les dice de soporte “pasivos” porque requieren del movimiento de la masa rocosa para desarrollar su carga de resistencia. 2. Soporte activo: se refiere a los métodos de refuerzo que modifican el comportamiento interno de la masa de roca mediante la instalación de elementos estructurales dentro de ella. Estos métodos activos han sido diseñados con la intención de reaccionar a los movimientos de la masa rocosa, desarrollar fuerzas de contención y así transferir estas fuerzas de regreso a la misma. 4.3.2.1 Sistemas de soporte primario El sistema de soporte está relacionado al método de excavación y a su vez este depende de las condiciones geológicas y geotécnicas del macizo. A continuación se indica el sistema de soporte asociado al método de excavación: Método de excavación Excavación con máquina tuneladora abierta tipo “TBM” Sistema de soporte inicial Soporte tradicional consistente de concreto lanzado, arcos de acero, pernos de roca pasivos, etc. Excavación con máquina Dovelas prefabricadas habitualmente tuneladora tipo “escudo” de concreto armado de alta resistencia 16 Excavación convencional Soporte tradicional, consistente de concreto lanzado, arcos de acero, (NATM) pernos de roca pasivos, etc. Tabla 6. Métodos de excavación y soporte inicial 4.3.2.2 Dovelas prefabricadas En el caso de realizar una excavación con máquina tuneladora tipo “escudo”, se emplean dovelas prefabricadas que funcionan como un método de soporte pasivo. Las dovelas se instalan formando un “anillo” al final del escudo de la máquina tuneladora. Al instalarse los anillos, queda un espacio entre el perímetro de excavación y la cara exterior de las dovelas, que se rellena habitualmente con mortero o con grava según el tipo de dovelas. Los tipos de dovelas son (Geoconsult, 2010): – Dovelas sin sellos con instalación posterior de un revestimiento secundario, con la finalidad de dar la impermeabilización al túnel. Este tipo de dovelas es común para túneles en roca sobre el nivel freático o para túneles con sistema de drenaje para evacuar las aguas subterráneas. El relleno del vacío del anillo típicamente es de grava. – Dovelas con sellos para estanqueidad instantánea del túnel; este tipo de dovelas se requiere en conjunto con máquinas tuneladoras con escudo y frente cerrado; vale decir, en suelos blandos bajo el nivel freático, donde no es posible deprimir el nivel freático y/o la minimización de los asentamientos en superficie son un requisito clave para la construcción del túnel. El relleno del vacío del anillo típicamente en este caso se materializa mediante mortero de cemento inyectado a presión. Los requerimientos antes mencionados son típicos para túneles urbanos y por lo tanto en éste proyecto no será empleado este tipo de dovelas. El uso de dovelas prefabricadas como soporte primario tiene limitaciones en rocas. Las deformaciones del macizo rocoso por lo general son altas, razón por la cual la estructura debe acomodarse a las mismas y la estructura tener características de flexibilidad que las dovelas no poseen. Adicionalmente, debido a las cambiantes condiciones del macizo rocoso, es necesario dimensionar las condiciones más desfavorables, que aumentan su costo y se torna en un soporte inviable. 4.3.2.3 Sostenimiento Convencional Este sistema se emplea para excavación tradicional y con máquina tuneladora tipo TBM abierta. Para ambos se propone la aplicación del “Nuevo método austriaco de construcción de túneles”, que hace uso de una metodología de clasificación del macizo rocoso y métodos de excavación. Estos serán desarrollados más adelante, junto con la instalación de sostenimiento primario. El sostenimiento convencional está constituido por uno o varios de los siguientes elementos de soporte: 17 Concreto lanzado El concreto lanzado o shotcrete es utilizado como elemento de soporte pasivo primario, y en interacción con los pernos de roca pasivos y los arcos de acero, como controlador del desarrollo de esfuerzos y deformaciones. En ningún momento el concreto lanzado se debe tratar como un elemento estructural independiente, sino como un elemento de un sistema integral de soporte. Es relevante que la capa de concreto sea lo suficientemente delgada para que sea flexible y se acomode a los cambios de forma sin presentar grietas. Se sugiere que el concreto lanzado se aplique reforzado con mallas, fibras metálicas o fibras sintéticas, con el objeto de lograr una resistencia adicional a la flexión. Pernos de roca o anclajes Son elementos que por medio de pernos anclados profundamente en la roca y sometidos o no a un esfuerzo de compresión, mediante la aplicación de una carga aplicada con gato, desde el frente de excavación, sirven para reforzar y soportar la roca que rodea la excavación. El término también se utiliza para barras no tensionadas, con inyecciones de selladores como refuerzo. Su función principal es la de mantener la integridad de la roca sometida a esfuerzos, actúan como un arco o viga a través de la excavación para fijar cualquier roca o estrato delgado en la superficie, anclándolas profundamente. El anclaje en las rocas crea una zona de compresión radial y de esta forma refuerza la zona de rocas altamente esforzadas alrededor de la cavidad. En el caso de reforzar el techo de un frente, los pernos deben unir entre sí las capas de roca individuales a una zona superior más resistente. Por consiguiente, los pernos se deben instalar tan pronto como sea posible para asegurar el terreno y evitar la separación de las capas o el movimiento de las juntas. La duración del sistema dependerá directamente de su función. En el caso de ser únicamente como soporte temporal, hasta que se instale un revestimiento definitivo, la corrosión no tendrá ninguna importancia, pero deben evitarse las pérdidas de tensión por deslizamiento del anclaje. En caso de que los pernos tengan una función permanente o a largo plazo, pueden utilizarse aleaciones resistentes a la corrosión, y mediante inyecciones de lechada de cemento o resinas brindar un doble función, anclaje de lo pernos y protección contra la corrosión. Los tipos de pernos más comunes son: – Sin lechada de cemento - tipo de expansión. – De fricción - tipo a fricción (“swellex”). – Con lechada o mortero de cemento. – De inyección autoperforantes. 18 – Especiales. La elección del tipo de perno dependerá de las condiciones geológico-geotécnicas encontradas durante la construcción del túnel. Arcos de acero En las áreas del túnel con condiciones geológicas y/o geotécnicas desfavorables, donde los pernos pasivos resulten insuficientes, sobre todo después de la excavación, se recomienda recurrir a una fortificación adicional con marcos de acero. Los arcos metálicos son elementos compuestos por segmentos de acero estructural tipo I, U o H, con placas metálicas soldadas en sus extremos y unidos entre sí con tornillos, para adaptarse a la sección del túnel, transmitir esfuerzos y controlar deformaciones. Se consideran los siguientes tipos de marcos metálicos: – Reticulados o en celosía – De perfil U, I o H – Con conexión deslizante o TH 4.3.3 Revestimiento Los tipos de revestimiento que pueden utilizarse en un túnel vial son: concreto lanzado, concreto convencional, muros y techos falsos, paneles prefabricados separados del perímetro de la excavación, enchapes o baldosas, morteros especiales y pinturas (cita, libro volumen 1, pág. 247). El revestimiento definitivo tiene como objetivo final garantizar la estabilidad estructural y la impermeabilización del túnel, así como también el cumplimiento de requerimientos operacionales y de funcionalidad Sistemas de revestimiento definitivo Revestimiento de una sola capa En este caso, el revestimiento primario, instalado como parte del sostenimiento inicial, forma parte integral del revestimiento definitivo. Los revestimientos primario y secundario actúan como un sistema monocapa. El revestimiento definitivo, por lo regular en concreto lanzado, queda instalado (con la posible aplicación de una membrana intermedia de impermeabilización proyectada) entre las dos partes de la cáscara. En función de los criterios de soporte y revestimiento definidos por el diseñador para el túnel, este puede construirse sin revestimiento definitivo. Esta solución se considera apta solo para túneles en los que la estabilidad permanente y el cumplimiento de los requerimientos de operación en caso de daño del revestimiento este garantizado, como puede serlo en el caso de un incendio grande. Otro ejemplo de este tipo sería en el caso de un revestimiento en dovelas prefabricadas de concreto, que se instalan como parte del sistema de excavación con máquina tuneladora tipo escudo. De emplearse dovelas prefabricadas como única capa, 19 éstas deben ser selladas y sin posibilidad de entrada de agua. Sin embargo, el empleo de este tipo de revestimiento impermeable, desde el punto de vista técnico y económico, se limita a presiones de agua alrededor de 5 a 6 bares. Revestimiento de dos capas El soporte primario es temporal y no forma parte del revestimiento definitivo. Se instala un revestimiento definitivo, diseñado para soportar las cargas a largo plazo y las que actúen según la operación del túnel. El revestimiento definitivo por lo general es de concreto fundido en sitio o, en casos excepcionales, de concreto lanzado. La impermeabilización se materializa mediante una membrana sintética o lamina (instalada sobre el revestimiento primario) o a través del concreto del revestimiento secundario mismo, diseñado como revestimiento impermeable. Otra opción en este caso, es el uso el de dovelas de concreto prefabricado como revestimiento primario, siendo el revestimiento definitivo de concreto fundido en sitio. El anillo de dovelas prefabricadas tiene carácter permanente y contribuye a resistir las cargas de largo plazo. Para cualquiera de los dos casos citados anteriormente, se definirán tipos de revestimientos secundarios según los espesores y el tipo de refuerzo que se requiera. En lo posible, la bóveda del revestimiento definitivo ha de construirse en concreto simple, sin armadura de refuerzo. Pero en áreas donde el macizo es de mala calidad, el concreto reforzado es imprescindible. Un caso típico, será las rocas evaporíticas (yeso y anhidrita), siempre que el túnel de baja altura las atraviese, así como sectores de macizo muy alterados –fallas–. Este también sería necesario, en caso de que se proponga un revestimiento definitivo impermeable. Adicional, es probable que en las zonas de portales el revestimiento requiera de refuerzo, al igual que en sectores en donde se producen intersecciones entre túneles o en cavidades de cualquier tipo. Concreto colocado en sitio Este sistema es el más utilizado para el revestimiento permanente en los túneles, puesto que tiene la ventaja de diseñar la sección transversal con la forma que se desee. Generalmente se funde utilizando una formaleta deslizable, tanto el tiempo como la distancia con respecto al frente del túnel. Concreto lanzado El concreto lanzado se ha convertido en una técnica que cada vez se emplea más como revestimiento definitivo. Es una solución efectiva para mejorar la estabilidad del túnel que, usado en conjunto con anclajes, permite obtener un sistema de soporte altamente adaptable a las condiciones encontradas durante los procesos de excavación. Además, con la 20 incorporación de refuerzos con fibra, pueden variarse las características de deformabilidad y resistencia, para así cumplir los requerimientos especiales. Además, es una excelente técnica de estabilización y soporte que logra su cometido en tiempos muy cortos, sin necesidad del uso de formaleta. Esta técnica se constituye como una interacción entre hombre, máquina y concreto. Es un material de alto desempeño que funciona bien cuando estos tres elementos tienen éxito trabajando en conjunto. El hombre, personificado por el lanzador, requiere de gran habilidad técnica, conocimiento y confianza plena en la máquina, lo cual permite cumplir satisfactoriamente la aplicación del concreto lanzado. La creciente demanda de movilidad, limitación de espacio y la necesidad de infraestructura subterránea continúa en aumento. El concreto lanzado desempeña un papel vital para cumplir estas demandas. Es un método económicamente ventajoso y casi ilimitado en cuanto a técnica se refiere, lo que lo convierte en la mejor alternativa (Hofler, J., 2004) Revestimientos de carácter funcional no estructurales Este tipo de revestimiento no tiene un comportamiento estructural, y por lo general se incorporan directamente al revestimiento estructural. Su función es la de mejorar las condiciones internas del túnel, como son visibilidad, facilidad para la instalación de tuberías y redes, y algunas veces contribuir a la impermeabilización. Por ejemplo, es normal usar paneles o muros falsos en los muros y techo, con el fin de mejorar la visibilidad y la sensación de seguridad de los usuarios. En otros casos, los paneles sirven para reducir el impacto sonoro o aumentar la reflexión de la luz artificial. Una condición común en los túneles es la infiltración de agua través del revestimiento estructural primario. Esta penetración genera grandes manchas, bien sea por depósito directo de sales o por la adhesión de partículas de hollín y aceite que llega de los vehículos. Los principales criterios a tener en cuenta para la selección del revestimiento de un túnel vial, son (Linares, A. 1972): Costos de instalación, mantenimiento y renovación. Alta reflexión luminosa, pero difusa y sin reflejos especulares. Superficies no absorbentes, resistentes al agua, al aceite y a la suciedad. Resistencia al envejecimiento y a la corrosión, propia de la atmósfera del túnel. Resistencia al fuego y que no contribuya con vapores nocivos, en caso de incendio. Rigidez y sin vibración. Renovable, cuando se eche a perder, y de fácil remoción, cuando sea necesario, para tener acceso a los servicios que preste. De espesor mínimo, conformados al perfil del túnel. 21 Entre los acabados usados, están los enchapes con baldosas, paneles metálicos, enchapes con vidrio cerámico o la aplicación de pintura. La selección del tipo de material que se va a usar debe tener los criterios de selección antes mencionados. 4.3.4 Diseño El revestimiento definitivo tiene el objetivo de garantizar la estabilidad estructural y la impermeabilización del túnel, como también el cumplimiento de requerimientos operacionales. Al respecto, hay varios criterios que son expuestos por diferentes diseñadores: en unos casos se propone revestir el túnel completamente, para lograr un buen desempeño a largo plazo sin necesidad de hacer mantenimientos durante el proceso de operación del túnel. En otros, proponen numerosas ventajas de los túneles sin revestimiento o revestimiento parcial. Según algunos diseñadores (Hendron, 1983), el revestimiento en un túnel vial se comporta como una estructura en arco que, de ser sometida solo a cargas por peso propio, puede ser optimizada y lograr una gran disminución en costos. Adicionalmente, esta actúa como una membrana que redistribuye cargas, no como un arco que soporta pesos transmitidos por el terreno. Por lo regular, el revestimiento de un túnel vial no requiere de acero de refuerzo, a menos que se presenten terrenos expansivos, zonas de fallas o para dar continuidad estructural, en caso de que se requiera. En el análisis realizado por Hendron, et al., acerca del revestimiento, se parte del hecho de que existe poca uniformidad entre los conceptos de diseño del revestimiento, lo que en muchos casos se traduce en sobrediseños y sobrecostos. Este análisis comprendió el estudio de los procedimientos y consideraciones adoptados por 16 proyectos de túneles viales y férreos. Se ha establecido que las cargas de diseño que actúan durante la vida útil del revestimiento son afectadas por factores de carga que varían según el criterio del proyectista. Con estas cargas se realiza un análisis de la interacción entre el revestimiento y el medio, considerando la capacidad de empuje y momento del revestimiento. Una vez conocidos, se comparan con la resistencia de las secciones del revestimiento. Ésta se reduce por un factor que tiene en cuenta las posibles variaciones de la resistencia de los materiales. A continuación se muestra el nombre de la empresa constructora, los diseñadores y el nombre del túnel: Dentro de los factores comunes entre las propuestas de diseño del revestimiento se encuentran: Cargas externas e internas Algunas de las cargas internas y externas a tener en cuenta en el diseño del revestimiento son: Cargas del macizo rocoso. Presión externa de agua. Fijaciones o apoyos para vías de rescate, equipos electromecánicos, comunicación y señalización. 22 Acción de la temperatura, producto del gradiente término del macizo en función de la profundidad a la que está el túnel. Acciones de retracción y fluencia. Acciones de presión y de depresión aerodinámica dentro del túnel. Cargas impuestas de la superficie en sectores de baja cobertura. Cargas provenientes de la acción expansiva de rocas. Acciones sísmicas según el tipo de macizo en donde se encuentre el túnel. La gran mayoría de túneles en roca son soportados temporalmente hasta que se completa la excavación, y luego se hace la instalación del revestimiento final en la abertura estable. Diez de las firmas consultadas seleccionaron el revestimiento basados en el espesor mínimo por razones de construcción y no realizaron cálculos con cargas de terreno. Los diseñadores argumentan que el soporte temporal estabiliza la abertura y que el revestimiento final es necesario solo para mantener esa estabilidad y para controlar las fugas dentro del túnel. Superficie interna Los túneles viales tienen altos índices de contaminación, producto de la combustión de combustibles y el calor generado por el tránsito de los vehículos. En función de estas condiciones, se hace necesario asegurar unos estándares de rugosidad, aerodinámica, construcción, estética y funcionalidad que permiten proveer una superficie adecuada para el funcionamiento del túnel. Durabilidad La durabilidad es una propiedad importante del concreto, por eso es indispensable que tenga la capacidad y calidad para resistir las condiciones de servicio. El ACI-201 la define como “la habilidad para resistir la acción del tiempo, ataque químico, abrasión o cualquier otro proceso de deterioro. Un concreto durable mantendrá su forma, calidad y condiciones de servicio originales, cuando se exponen a su ambiente”. Se evalúa “en función de su capacidad para resistir las acciones de deterioro derivadas de las condiciones de exposición y servicio a que está sometida” (ACI, Sección Centro y Sur de México, 1996). La experiencia ha mostrado que el costo por no considerar la durabilidad es mayor al que se invierte (Taylor, 2002 y Uribe, 1999, 2001). Al diseñar una estructura por durabilidad, se aportan ventajas técnicas y económicas. Técnicamente, permite un mejor desempeño ante sus condiciones de servicio y, por consiguiente, la disminución en las reparaciones, lo que se traduce en más economía en costos operativos y de mantenimiento. Estadísticamente, resulta difícil determinar las causas de problemas de durabilidad en estructuras de concreto. A principios de la década de los 80, en España se realizó un estudio al respecto, en el que los resultados son interesantes e indican la importancia de cada etapa (figura 2). Sanjuán y Castro (2001) estiman hasta en 30% la falla, debida a deficiencias en la selección de los materiales. Dichos datos indican que para lograr un 23 concreto durable se deben considerar todos los aspectos de calidad de materiales y proveedores, así como un conocimiento de las condiciones de servicio para un correcto diseño y un adecuado proceso constructivo. Construcción Materiales Diseño 39% 45% 16% Figura 2. Causas que producen problemas de durabilidad. Los agentes que afectan la durabilidad del concreto son de diversa índole y su clasificación de divide en dos: internos y externos. Los externos se relacionan con el medio ambiente o a condiciones de servicio, como son los iones de cloruro, el dióxido de carbono, los sulfatos, las bacterias, la abrasión y los ciclos de congelamiento y deshielo. Los internos se hallan dentro del mismo concreto, como los iones de cloruro incorporados en determinados aditivos y los álcalis del cemento, que reaccionan con agregados potencialmente reactivos. Algunas de las ventajas técnicas y económicas del diseño por durabilidad en una estructura son (Castañeda, H. 2005): Mejor desempeño y conservación ante las condiciones de servicio. Mayor vida útil. Menores costos de mantenimiento y operativos. Menor valor presente de los costos de construcción y de mantenimiento. Rentabilidad del proyecto, al reducir costos excesivos por reparaciones. Mantenimiento Este aspecto se ha convertido en un criterio de diseño, pues las posibles acciones de mantenimiento pueden limitar la capacidad de tránsito. Con el fin de lograr bajos costos de mantenimiento y obtener ahorros a largo plazo, deben tomarse varias medias, entre ellas (Castañeda, H. 2005): Optima selección de materiales. 24 Procedimientos de diseño y construcción bien planeados, organizados y llevados a término. Programas de mantenimiento. El plan de mantenimiento está definido por la naturaleza de las construcciones de concreto, y en el caso específico de un túnel, debe asegurar el funcionamiento de todos los aparatos que contiene. Desde el comienzo, el diseñador debe tener en cuenta las técnicas de inspección, pues, en caso de evidenciarse un problema, debe existir una metodología para afrontarlo y brindarle una solución económica, viable y de fácil aplicación. El mantenimiento preventivo permite controlar la expansión de un problema que, en el caso de los túneles viales, se comportan como virales, contagiando rápidamente toda la estructura, y en ciertas ocasiones el macizo rocoso. Los costos relacionados con la durabilidad y el mantenimiento van muy de la mano. Al respecto, éstos tendrán una explicación detallada en el capítulo de costos. Sistemas de impermeabilización El sistema de impermeabilización está definido por el sector de macizo atravesado por el túnel, aspectos de impacto ambiental, de permeabilidad del macizo, de presión de aguas, de agresividad de las aguas, etc. En el diseño se analiza qué tipo de solución se adopta, es decir, si se propone un revestimiento sin drenaje, drenaje parcial, totalmente drenado o un sistema mixto. La capa de soporte estructural debe presentar una superficie adecuada con el objetivo de preservar la integridad de la lámina. Los criterios para la instalación de las láminas de impermeabilización son (ITA, 2005): – La relación entre el ancho y el alto de las cavidades debe ser BA: BT = 10: 1 (figura 3) – Las irregularidades de pequeña escala deben tener un radio mayor de 300 mm – El concreto lanzado debe estar fraguado con un espesor de capa mínimo de 5 cm. – La malla metálica, los pernos y las cabezas de los anclajes deben estar recubiertos al menos por 5 cm de concreto lanzado. – Las esquinas y los bordes cortantes deben estar redondeados. – Se debe garantizar la estabilidad y la resistencia del soporte calculadas. – El tamaño máximo de los agregados debe ser de 8 mm. Figura 3. Criterios para el concreto lanzado. 25 Influencia del agua (Hermosilla, Alexis. 2005) La impermeabilización de un túnel está influenciada por la calidad y el tipo de agua del terreno. En general, se distinguen los túneles ubicados en zonas de aguas subterráneas, en zonas de saturación o en la franja capilar. La agresividad del agua y su intensidad contra el revestimiento depende del tipo de agua del terreno y se puede manifestar de dos formas: -Agua capilar - Agua freática Según estas dos formas, se pueden clasificar las medidas a tomar en cuenta en las técnicas de impermeabilización. Impermeabilización en franja capilar: debe ser realizada en toda construcción subterránea con el fin de cerrar todos los poros para evitar que la humedad llegue al interior por capilaridad. Impermeabilización en zonas de saturación: debe ser una impermeabilización resistente y flexible frente a la presión de agua. Se debe evitar el aumento de la presión de agua, por lo que es necesario desviar y recoger el agua en un drenaje longitudinal del túnel. Impermeabilización en agua subterránea: debe ser una impermeabilización flexible y cerrada y resistente a la presión del agua subterránea. En la etapa de construcción se hace necesario bajar el nivel freático o eliminarlo con aire comprimido. En cada uno de los casos para la elección del material de impermeabilización es indispensable el conocimiento de la composición química y condiciones físicas del agua y del terreno, ya que ciertas sustancias disueltas en ambos pueden atacar la impermeabilización. Teniendo en cuenta la influencia de los diversos factores, los requisitos y los tipos de soportes en los sistemas de impermeabilización de túneles, como el volumen de filtraciones 26 existentes y el tipo de revestimiento previsto, la impermeabilización puede comprender de una a cuatro fases: Fase 1. Impermeabilización primaria: son los trabajos provisionales de control o taponamiento y conducción de aguas para permitir la ejecución posterior de las impermeabilizaciones intermedia y principal. Tradicionalmente se han utilizado sistemas de drenaje como el método de Oberhasli, con el empleo de tubos o canaletas, sujetas al sustrato cementos de fraguado ultrarrápido, proyección de morteros o gunita. Figura 4. Impermeabilización primaria, sistema oberhasli (Rodríguez, Mariano. 2008) Fase 2. Impermeabilización intermedia: son los trabajos posteriores a la impermeabilización primaria mediante la aplicación de mortero o concreto lanzado. La impermeabilización intermedia puede ser de protección cuando se aplica un concreto o mortero lanzado de un espesor no superior a 7 cm en toda la superficie a tratar, de esta forma se consigue proteger la primera impermeabilización o de nivelación cuando la aplicación del mortero o concreto lanzado tiene por finalidad servir de soporte a la impermeabilización principal y su espesor suele ser de 10 a 250 mm. 27 Figura 5. Requisitos mínimos del soporte (Ibíd.). Fase 3. Impermeabilización principal: consistirá en la instalación de un geotextil, de una membrana impermeable de PVC o cualquier otro material que garantice la absoluta estanqueidad del túnel. Son los trabajos de ejecución de una membrana impermeable de cualquier tipo que garantice la estanqueidad del túnel. Hay diferentes tipos (Rivas, J.L. 2006): Revestimientos con resinas (membranas acrílicas proyectables). Revestimiento con morteros predosificados. Sellado de juntas de dovelas prefabricadas. Revestimiento con geosintéticos. • Colocación en lámina vista, sobre sostenimiento definitivo. • Colocación en sándwich, confinado entre sostenimiento provisional y revestimiento de hormigón. 28 Figura 6. Criterios para el concreto lanzado. Fase 4. Impermeabilización posterior: son aquellos trabajos previstos o no, complementarios de la impermeabilización principal o bien trabajos de reparación que conduzcan posteriormente a la impermeabilidad de la construcción. Su aplicación se adecuará según la importancia de las filtraciones o la calidad del soporte de ejecución. Ejemplo trabajos posteriores (Rodríguez, Mariano. 2008): Inyecciones. Morteros pre-dosificados impermeables. Revoques o gunita. Taponamiento y sellado de grietas y juntas. Rejuntado de mampostería. Drenajes. Rei-mpermeabilización con membranas, en lámina vista. Requerimientos Los requerimientos de los componentes fundamentales en la impermeabilización de un túnel serán, primero la membrana como elemento impermeable y segundo el geotextil como elemento de protección de daños mecánicos y de evacuación de las aguas de filtración. Cuando se considere necesario, dependiendo del caudal de filtración, se efectúa una impermeabilización primaria a base de drenes en forma de espina de pez (sistema Oberhasli) para recoger y conducir el flujo de agua a los drenes longitudinales. Este sistema se construye dependiendo de las zonas de mayor filtración, en cuyo caso su ubicación es puntual. 29 El objetivo de los drenes es el de recoger el agua para evitar problemas en la estabilidad del soporte y asegurar la impermeabilización definitiva. Figura 7. Sistema oberhasli (Rivas, J.L. 2006). Conceptos de impermeabilización A continuación se describen los conceptos empleados para la impermeabilización y drenaje de los túneles (Lemke, S. et al. 2010): 1. Túneles sin drenaje En los túneles diseñados para soportar presiones de agua, el drenaje permanente no es necesario, ya que presentan valores de presión de agua muy altos que incrementan los requerimientos de resistencia para el revestimiento (Chabot, 2002)). En túneles no drenados bajo presiones de agua en los que el sostenimiento se hace con concreto lanzado, las láminas se colocan entre el concreto lanzado y el anillo de revestimiento. Dependiendo de la presión del agua, del estado de la misma y del terreno, se posicionan los siguientes sistemas: 30 – Una lámina en todo el perímetro del túnel. – Una lámina en todo el perímetro del túnel combinada con una anillo de revestimiento impermeable. – Doble lámina en todo el perímetro del túnel. a. Drenaje provisional Luego de la colocación de la lámina y del revestimiento para mantener el área de trabajo seca, el túnel debe disponer de un drenaje provisional bajo la solera. En las etapas de construcción, relleno y cierre del drenaje en etapas posteriores, es necesario ubicar puntos de bombeo, aproximadamente a cada 100 metros, para posibilitar el bombeo. b. Espesor de la lámina Si el túnel se construye con sistema de impermeabilización en todo el perímetro, se pondrá lámina en la pata, la bóveda y la solera. Para lograr una mejor resistencia frente a daños mecánicos locales y, en consecuencia, aumentar la calidad, la mayoría de Normas Europeas (ITA, 2005) recomiendan láminas de 3,0 milímetros de espesor para túneles con presión de agua, y en túneles sin presión de agua, un grosor de 2 milímetros. Con el fin de facilitar la detección de daños en la lámina de impermeabilización, antes o después de la colocación, se sugiere apicara una capa de otro color, Adicionalmente, el color claro de la lámina ha mostrado efectos positivos psicológicos, gracias a la reflexión de las luces en el interior del túnel. c. Membrana de protección La zona de solera se protege con una lámina adicional de 3 milímetros de espesor soldada a la de impermeabilización, la cual sirve contra los daños que se pueden producir con el tránsito y los que se presenten durante la construcción del túnel. d. Cintas de PVC En cada unión de las láminas de impermeabilización se debe instalar una cinta de PVC, con el objetivo de evitar la entrada de agua que afecte el túnel. Estas cintas se sueldan con calor a la lámina, razón por la cual el material de esta debe ser compatible con el de las láminas, incluidas la vida útil estimada y los parámetros de soldadura de ambas. Para un buen desempeño de las cintas, un parámetro importante es la completa unión entre la lámina y el concreto (especialmente en la corona). No se debe permitir la circulación del agua, pero esto se logra solo en algunos casos. Se aconseja poner cintas que permitan inyecciones posteriores que posibiliten el relleno de las cavidades entre la cinta y el concreto. Esta es la única forma de garantizar el buen servicio de las cintas y lograr el seccionamiento del túnel (Koma, 2001). A fin de aumentar la protección de la lámina, las cintas deben instalarse en la misma posición que las juntas del concreto de revestimiento, formando así un sistema adicional de sellado con la estructura de concreto de revestimiento. 31 2. Drenaje parcial El drenaje parcial se aplica cuando el agua acumulada no puede extraerse sin ayuda de bombas, en los siguientes casos (Chabot, 2002): – Túneles que retienen agua y tienen restricciones de presión de agua. – El agua en un túnel se alivia hasta una presión determinada. Limitando la presión de agua, es posible reducir sustancialmente su extracción, dependiendo de la geología e hidrogeología, en comparación con drenajes sin presión. – Túneles drenados sujetos a pequeñas presiones locales por obstrucciones en el flujo del agua. En un túnel diseñado con un sistema de drenaje, el agua tiende a acumularse, lo cual redunda en la disminución de la presión, en un aumento de las solicitudes de un sistema de drenaje primario o secundario y en una acumulación de material particulado. Entre las posibles causas de dicha acumulación están: un mal diseño en el sistema de drenaje, el tamaño de los orificios de entrada al drenaje o un inadecuado trabajo de la capa de impermeabilización de la solera. 3. Túneles drenados En el caso de tener columnas de agua elevadas, asociadas a presiones de agua importantes, la selección de un túnel drenado es la única alternativa por razones económicas y constructivas para cumplir los requerimientos estructurales. Esto también se aplica en el caso de pequeñas cargas de agua con poca o escasa incidencia donde la evacuación de filtraciones permanentes de agua sin presión. Se debe garantizar durante la vida útil de servicio, estimada tanto para la obra como para los elementos del drenaje primario y secundario. Lo que resulta en un diseño de la bóveda del túnel sin tener en cuenta las presiones de agua. De ser necesario, la solera puede ser plana. Si no es posible garantizar estos requisitos, es de esperar que se presenten incrementos de presión bajo la solera o en los muros. 4. Sistemas mixtos Estos sistemas son necesarios en túneles que a lo largo de su eje atraviesan estratos con baja y alta carga de agua. El diseño estructural y de drenaje deben prever estos traslapos, a fin de evitar infiltraciones o debilitamiento del macizo y afectación estructural del túnel, poniendo en riesgo su vida útil y la de los usuarios Impacto ambiental Básicamente, el efecto que el túnel produce sobre las aguas subterráneas del macizo, como también el posible efecto que aguas contaminadas de operación del túnel puedan ejercer sobre el medio ambiente externo; en ambos casos, el revestimiento definitivo, los sistemas de drenaje y sistema de impermeabilización tendrán que contemplar los criterios que se establezcan, a efectos de no generar efectos indeseados sobre el medio ambiente. 32 Resistencia contra incendios Este criterio de diseño tiene alta relevancia en el revestimiento definitivo. En caso de un incendio dentro del túnel, el revestimiento definitivo podría colapsar, razón por la cual es imprescindible tomar precauciones en su diseño y construcción. Los colapsos del revestimiento pueden no generar problemas en sectores del túnel en los que el macizo sea autosoportante. Pero sí imponer riesgos para las brigadas de rescate y grandes demoras en la reconstrucción del túnel en caso de presentarse colapsos del macizo alrededor del túnel. En consecuencia, existen lineamientos y normas que establecen cuál debe ser la protección del revestimiento definitivo en aquellos sectores en los que se pretende mantener la acción portante estructural y con ello evitar daños de mayor alcance. Las medidas a adoptar son variadas, yendo desde de la instalación de un doble revestimiento, como medida más completa, hasta la incorporación de aditivos al concreto que aumenten el grado de resistencia a la acción del fuego, como solución más simple. Corresponderá verificar entonces, por sectores, cuál será el método que más se ajusta a los requerimientos que impone este criterio, tanto para los túneles, como las demás obras subterráneas que puedan estar sometidas a acciones de fuego. 4.3.5 Sistema constructivo 4.3.5.1 Generalidades El método de excavación que se emplea en los túneles depende básicamente de las condiciones geológicas, geotécnicas, de variables técnicas y financieras de cada proyecto y de cada caso de túnel en particular. 4.3.5.2 Clasificación de los métodos constructivos Los métodos de construcción de túneles pueden clasificarse en función de dos parámetros: Grado de mecanización. Comportamiento tenso-deformacional de la excavación. Comportamiento de la excavación Grado de mecanización Total (tuneladoras) Elástico Deformación moderada Deformación intensa TBM doble Doble-escudo T.B.M. – E.P.B hidro escudo escudada NATM Parcial (métodos Sección completa convencionales) Avance y destroza Método alemán,… helga, 33 Galerías cimentación de ADECO Tabla 7. Clasificación de los métodos constructivos (celada, 2004). 4.3.5.3 Métodos de excavación A continuación se definen los principales métodos convencionales de excavación de túneles (Estudio Barcelona, 2009): Método belga Consiste en excavar por secciones, con lo cual se evita graves inestabilidades del frente del túnel y colapsos del mismo, propias de una excavación completa en una fase. Al trabajar con secciones pequeñas es posible solucionar cualquier problema de estabilidad que aparezca en el frente, mientras que con un gran frente abierto no lo sería. Este método suele aplicarse a túneles con un ancho de unos 8 a 9 metros libres más 3 metros de ambos hastiales, es decir, unos 11-12 metros. Habitualmente, la ejecución se realiza en cuatro etapas consecutivas, por el siguiente orden: 1. bóveda, 2. destroza, 3. hastiales y 4. solera. El método se utiliza en túneles en suelos que presentan con un comportamiento óptimo en terrenos cohesivos, formados sobre todo por arcillas compactas o con un cierto porcentaje de arena. Se trata de un método de ejecución a sección partida, avance y destroza. Para la excavación se emplean martillos mecánicos y requiere el empleo de mano de obra especializada. 34 Figura 8. Secuencia de excavación método belga Método tradicional Este consta de varias fases, que se van realizando de manera sucesiva: Inicialmente, se excava una galería de avance según el eje del túnel, de un metro de ancho en la clave de la sección. Una vez finalizada la galería, se ensancha la excavación a ambos lados, hasta que la sección media superior queda completamente excavada. El ensanche se hace en pases de 1 a 2.5 metros de longitud por 1 a 1.5 metros de acho. Luego se ejecuta la bóveda con anillos de 2,5 metros de ancho, que impiden deformaciones del terreno. La excavación del avance se realiza mediante martillos neumáticos. La destroza consiste en excavar un cubo central en la sección media inferior, dejando sin excavar los hastiales 1 a 1,5 m para que éstos hagan frente a los empujes de la bóveda. Esta operación se realiza con máquina excavadora, con un desfase de 5 a 6 anillos respecto del frente del túnel. Posteriormente se ejecutan los hastiales por baches de 2.5 metros, cuidando no descalzar la bóveda y no excavar dos hastiales enfrentados a la vez. Para terminar, se excava el fondo de la sección y se ejecuta la solera (contrabóveda). La versatilidad del método permite modificar los parámetros básicos (ancho de pase, longitud de avance, entibación), adaptándolos al tipo de terreno y de sección. 35 Figura 9. Ejecución por el método tradicional Nuevo Método Austriaco Modificado (NATM) El empleo de este método permite una relajación del estado tensional del terreno situado alrededor de la excavación, con un cierto desplazamiento del mismo; esto, con el objetivo de usar un soporte ligero que equilibra empujes y deformaciones hasta un valor aceptable, sin llegar a producirse inestabilidades. El frente de avance se excava de 1 a 2 m con retroexcavadora, martillo, equipos mecánicos o pala cargadora según las características del terreno. Luego se pone un soporte primario, constituido por cerchas T o H, separadas de 0.5 a 1 metro, previamente curvadas, con la sección de la bóveda. Después se lanza una capa de 15 a 20 centímetros de concreto con fibras. El sostenimiento se instala con un desfase máximo de 2 metros respecto la excavación. Posteriormente se funde la bóveda (revestimiento definitivo) con un desfase entre sostenimiento y revestimiento de unos 18 metros. La destroza se realiza de la misma forma que en el método tradicional. 36 Figura 10. Proceso de excavación por el Nuevo Método Austriaco. Método del pre-corte mecánico Consiste en la ejecución de una prebóveda de sostenimiento previo en el perímetro de la sección del túnel, antes de proceder a la excavación del terreno correspondiente a cada avance. En el desarrollo de esta tesis se hace hincapié en dos sistemas constructivos de mayor interés y de uso general en la actualidad (Geoconsult, 2010); – Método convencional por voladura o método cíclico (NATM) – Método mecanizado con máquina tuneladora (TBM) En general, la excavación con máquina tuneladora se utiliza en macizos rocosos de mejor calidad geotécnica, en los que son controlados y predecibles los riesgos a los que puede ser susceptible la máquina durante la excavación. Por otra parte, en sectores de macizo geotécnicamente menos competentes y complejos (fallas, rocas expansivas, condiciones hidrogeológicas desfavorables, cavidades cársticas, etc.) se prefiere la excavación convencional o se prevé un tratamiento –antes de excavar– del macizo frente a la máquina. La selección del método de excavación, entre el empleo del método convencional y el mecanizado, depende de los criterios que se enumeran a continuación. En primer lugar, para túneles cortos, con longitudes que son menores a los 5 kilómetros, el uso de máquinas tuneladoras, por lo general, no es económicamente competitivo, excepto en casos de condiciones geológicas donde ésta no pueda ser utilizada. Por ejemplo, en terrenos extremadamente blandos, rocas residuales o suelos, a ser excavados bajo el nivel freático, donde la estructura de soporte e impermeabilización resultan más costosas que la adquisición de un escudo. Otro caso puede ser un túnel relativamente corto, en el que la excavación solo pueda efectuar desde un extremo, lo que hace que el frente de excavación 37 sea tan largo que la excavación convencional sea costosa y lenta, justificándose el uso de una máquina tuneladora. De acuerdo con lo anterior, son muchos los factores que intervienen en la decisión sobre qué método o combinación de métodos de excavación resultan ser los más convenientes para un determinado proyecto. Algunos de estos factores importantes se mencionan a continuación: • Longitud: este factor, mencionado anteriormente, es relevante a la hora de escoger entre excavación con maquina o no. A medida que aumenta la longitud del túnel, la competitividad de la máquina tuneladora crece directamente, siempre que las condiciones geotécnicas sean buenas y no existan incertidumbres con relación a esta realidad. Debido a esto, en la actualidad se emplean máquinas tuneladoras, exceptuando otras razones y variables que podrían hacerlo imposible o poco oportuno. Unas de ellas se derivan del resto de los criterios citados a continuación. • Sección transversal del túnel: teniendo en cuenta la necesidad del empleo eficiente de la sección transversal mediante máquina tuneladora en túneles de gran cobertura, en donde las tensiones son similares a las verticales y en algunos casos mayores, la utilización de secciones transversales circulares es lo más conveniente desde el punto de vista estructural. Por tanto, sea cual sea el trazado final del túnel, es bastante probable que para sectores del túnel excavados convencionalmente, en donde las coberturas sean altas, se adopte una sección transversal circular, similar a la que resulta del uso de máquinas tuneladoras. • Trazado y ubicación: aspectos como la construcción en alta cordillera con dificultades de acceso, la complejidad del trazado, cuando la excavación deba efectuarse a través de un pozo de gran profundidad, e impliquen una problemática en los aspectos logísticos de transporte y de armado de la máquina, hacen inapropiado el uso de una máquina tuneladora o, en caso de utilizarla, terminan encareciendo demasiado una obra. Adicional a lo anterior, debe considerarse que para túneles con alta cobertura y rocas de calidad pobre o con grandes incertidumbres en la geología, el empleo de máquinas tuneladoras conlleva un riesgo de llegar a presentar problemas imposibles de anticipar o difíciles de mitigar durante la construcción, los que determinen que la máquina no pueda operar eficientemente o se quede parada. • Entorno y condiciones ambientales en el área del túnel: dado que la construcción de un túnel afecta las condiciones ambientales del entorno, se deben evaluar en la etapa de factibilidad los impactos temporales y permanentes que producirá la construcción y los métodos de mitigación alternativos. Los efectos ambientales pueden ser; afectación del régimen de aguas subterráneas en el macizo, asentamientos del terreno, contaminación producto del depósito y disposición final del material de excavación, contaminación producto de los insumos químicos como aditivos usados en el concreto. 38 • Plazos de construcción: esta variable es fundamental en la selección de los métodos de construcción, especialmente en túneles largos, no solo por razones geotécnicas, sino que también por esta variable suele ser más conveniente combinar la excavación convencional con tronadura y la excavación mecanizada mediante máquinas tuneladoras. • Costos de construcción: esta variable es determinante y está ligada a la anterior (plazos totales de construcción). Los costos de construcción surgen de un análisis financiero relacionado con la oportunidad de asumir costos de construcción más elevados, a costa de conseguir con ellos grandes beneficios posteriores. Los plazos y los costos en general son variables que se tendrán en cuenta, directa o indirectamente, en la selección de métodos constructivos y sistemas de soporte, teniendo en consideración que la búsqueda de reducción de éstos no afecte la estabilidad, calidad o durabilidad de la obra por debajo de los estándares impuestos. Método convencional o método cíclico (NATM) Para la excavación convencional se propone la aplicación del “Nuevo Método Austríaco de Construcción de Túneles” (NATM o método convencional), que en su metodología clasifica el macizo y los métodos de excavación e instalación del soporte primario. Sus características se resumen brevemente en los siguientes conceptos: Clasificación del macizo rocoso Se clasifica en dos categorías principales asociadas al comportamiento de este, sobre las cuales se determinará el método de excavación y fortificación del túnel en sus diferentes secciones, siendo las siguientes: – Tipo de Macizo Rocoso o Rock Mass Type o (RMT), clasificación del macizo en sectores homogéneos, en términos de propiedades geotécnicas y parámetros que puedan indicar que el comportamiento de éste. – Behaviour Types o Tipos de Comportamiento del Macizo (BT), clasificación geológico-geotécnica, en la que intervienen los llamados “factores de influencia”, es decir, variables que determinan, para cada obra y sector de obra particular, cómo se comportará un cierto tipo de macizo a consecuencia de la excavación del túnel Instalación de un sostenimiento inicial o primario Detrás del frente de excavación, se emplean sistemas de fortificación con un cierto grado de flexibilidad, como el concreto lanzado, reforzado fibras, anclajes y arcos metálicos. En función de cada Tipo de Comportamiento del macizo, se definen las clases de soporte, que constituirán las bases según la clasificación geotécnica estimada. 39 – Se implementa un sistema de monitoreo, en forma simultánea a la excavación, en términos de deformación. El objetivo del monitoreo es el de contar con parámetros inmediatos del comportamiento del macizo y los sistemas de soporte y con ello comparar el comportamiento previsto en el diseño con el que se ejecuta. El comportamiento del macizo y los sistemas de soporte solo se puede conocer con suficiente anticipación y precisión a través de un sistema de instrumentación instalado en forma oportuna en el frente de excavación de un túnel. Típicamente, se miden deformaciones en puntos de referencia instalados en el soporte recientemente construido. Adicionalmente, se instalan instrumentos geotécnicos, mediante los cuales se miden las deformaciones específicas en el concreto. Sin la implementación de un sistema de control no es posible calibrar el diseño teórico con el comportamiento real y más difícil hacer ajustes en métodos de trabajo y medidas de soporte, con el fin de lograr reducción en costos, sin poner en riesgo la estabilidad del túnel. Instalación de un revestimiento definitivo interno o secundario en el túnel Este logra la estabilización y asegura la resistencia definitiva de la obra, como también la provisión de una serie de otras características y funcionalidades específicas para cada proyecto particular, como parte de las cuáles puede destacarse especialmente la impermeabilización de la obra, la mejora de condiciones para la ventilación, la garantía de durabilidad, resistencia frente al fuego, etc. La decisión sobre qué tipo de revestimiento definitivo a usar es tomada con base en criterios técnicos de resistencia, deformabilidad, impermeabilidad, etc., y económicos. Excavación mecanizada (con máquina tuneladora, TBM o Escudo). La excavación con maquina tunelera se aplica en tramos de geología buena y favorable para este tipo de excavación. Se consideran los siguientes tipos de máquinas: – Máquina tunelera abierta (TBM). – Máquina tunelera con escudo (sin sostenimiento activo del frente). Para excavación con máquina tunelera pueden aplicarse, en principio, dos tipos de sostenimiento primario o sistema de fortificación inicial, siendo estos los siguientes: – Dovelas prefabricadas: se instalan con máquinas del tipo “escudo”, para condiciones geológicas poco favorables, es decir, macizos rocosos altamente fracturados con gran potencial de desprendimiento de cuñas o en suelos blandos. – Sostenimiento “clásico”, consiste en concreto lanzado, arcos de acero, pernos de roca pasivos, etc., empleándose en este caso las así llamadas Tunnel Boring Machines (TBM) para roca dura, o máquinas tuneladora abiertas, sin escudo y con mordazas. 40 En caso de sostenimiento clásico detrás de la máquina tunelera tipo TBM abierta se propone la aplicación de los principios del “Nuevo Método Austriaco de Construcción de Túneles” (NATM o método convencional). El tipo de sostenimiento seleccionado para la excavación con máquina tunelera depende de las condiciones geológico-geotécnicos y de factores logísticos (disponibilidad de materiales y tecnología, distancia a fábrica de dovelas, transporte y almacenamiento de dovelas, etc.). En primer lugar, el sistema de sostenimiento asociado a la construcción mecanizada tendrá relación con las condiciones geológicas e hidrogeológicas, siendo el resultado de la consideración de criterios técnicos, económicos y otros aspectos relacionados con la calidad o durabilidad de la obra misma. La selección de los sistemas de sostenimiento más apropiados se basa en consideraciones teóricas, en requerimientos de normas, en la experiencia hecha en otras obras similares actualmente en construcción y en los requerimientos que específicamente se convengan con el cliente para el proyecto. Para el revestimiento definitivo interno o secundario deben definirse objetivos y criterios para el túnel en operación, en función de las condiciones del proyecto. Por esto, los criterios mencionados anteriormente para el método convencional valen igual para el revestimiento secundario en caso de excavación con máquina tuneladora, aunque la manera de ejecución del mismo sí depende del tipo de la máquina. El revestimiento definitivo de un túnel excavado con maquina tunelera puede ser construido de una de las formas siguientes: De concreto colado in situ De dovelas (elementos premoldeados) Un revestimiento de concreto colado in situ se construye en caso de excavación con TBM abierta e instalación anterior de un revestimiento primario de tipo convencional. Para excavación con máquina tipo escudo se usan dovelas premoldeadas como único revestimiento definitivo, siempre que no exista la necesidad de un doble revestimiento. En caso de necesidad de instalación de un doble revestimiento, debe instalarse un revestimiento secundario, hecho de concreto colado después de la instalación de dovelas como revestimiento inicial. 4.4 REVESTIMIENTO EN CONCRETO LANZADO 4.4.1 Generalidades En el siglo pasado, el concreto lanzado reemplazó los métodos tradicionales de revestimiento en túneles y se convirtió en la principal alternativa en la estabilización de túneles excavados. El concreto lanzado es primordial y se hace inconcebible la construcción moderna de túneles sin éste. La utilización generalizada del concreto lanzado, como elemento fundamental, tanto en el sostenimiento como en el revestimiento de túneles y obras subterráneas, ha motivado un continuo desarrollo tecnológico, tanto en los 41 materiales componentes del concreto (cemento, agregados y aditivos) y en la maquinaria, así como en su aplicación y control de calidad. El término de concreto lanzado describe varios componentes de una tecnología (Hofler, 2004). El material. El proceso de lanzado. El sistema de proyección (equipos). El material del concreto lanzado a usar en el diseño de mezcla de concreto está determinado por los requerimientos y parámetros de aplicación especificados. Generalmente, esto significa una reducción en el tamaño máximo del agregado a 8 milímetros o máximo 16 milímetros, un aumento en el contenido de cemento y la utilización de aditivos especiales que controlan las propiedades del material. 4.4.2 Concreto Lanzado En la actualidad existen dos procesos diferentes para la aplicación del concreto lanzado: Concreto lanzado por vía seca. Concreto lanzado por vía húmeda. El concreto lanzado por vía seca se define como una mezcla de cemento, agregados gruesos y finos y aditivos, conducida a través de una manguera y proyectada neumáticamente a alta velocidad sobre una superficie, agregando el agua en la boquilla. El concreto lanzado por vía húmeda, reforzado o no con fibras, se define como la mezcla del cemento, agregados gruesos y finos, agua, aditivos y fibras, preparado en una planta dosificadora con anterioridad a la conducción y aplicación de la mezcla mediante la máquina impulsora. Los requerimientos principales de la mezcla se centran en la manejabilidad y durabilidad (Hofler, 2004): Alta resistencia inicial. Buen bombeo (suministro de flujo denso). Adecuadas características de fraguado del concreto. Diseño de mezcla adecuado para lanzar. Manejabilidad adecuada para el operario (largos tiempos abiertos). Rebote mínimo. El proceso de lanzado determina su colocación. Después de producido, el concreto se transporta al equipo de lanzado y es llevado al frente por medio de tubos o mangueras de alta presión sellados, lanzado y compactado. Antes de ser lanzado, el concreto pasa a través de la boquilla a alta velocidad, formando un chorro que contiene todos los componentes importantes de la mezcla, tales como el agua, en el caso del concreto lanzado vía seca, aire comprimido y acelerantes del fraguado, 42 cuando se requieren. La mezcla de concreto es lanzada sobre el sustrato a alta presión, densificándola y formando una estructura de concreto compacta. Dependiendo del tiempo de fraguado, puede aplicarse a cualquier elevación, e incluso verticalmente sobre cabeza del operario. El proceso de concreto lanzado tiene, dentro de sus múltiples usos, la reparación de estructuras de concreto, túneles y minería, estabilización de taludes, y hasta en diseños artísticos de edificios. Entre las ventajas que brinda el concreto lanzado están: Aplicación sobre superficies irregulares. Configuración flexible según el espesor de capa en sitio. Aplicación a cualquier altura, gracias a su adherencia y capacidad de autosoporte. Buena adherencia al sustrato. Reforzamiento con mallas o fibra. Revestimiento con rápida capacidad de soporte a cargas, sin formaletas o tiempos de espera prolongados. 4.4.3 Materiales constituyentes del concreto lanzado El concreto es una mezcla de tres materiales: cemento, agregados y agua. Sin embargo, para entender sus propiedades y aplicaciones puede convertirse en un sistema de cinco variables, que da como resultado una interacción compleja al combinar con los parámetros de aplicación del concreto lanzado. Por consiguiente, en el proceso de concreto lanzado es importante no variar al mismo tiempo demasiados parámetros durante la etapa de pruebas. La calidad de los materiales a utilizar, los agregados y sus granulometrías, el cemento y su dosificación, el lugar, las condiciones de trabajo, y el equipo empleado, influyen en la calidad de la mezcla. Entonces, se debe realizar ensayos previos, tanto del funcionamiento de los equipos como de los materiales a emplear. 4.4.3.1 Cemento Este elemento actúa como aglutinante en la mezcla de concreto lanzado, que une y fija las partículas de agregado a través de la mezcla. También interviene como lubricante principal del concreto y tiene un fraguado hidráulico que lo hace parcialmente responsable de las propiedades mecánicas del concreto endurecido. Pero aquí hay un requerimiento importante que no es condición en el concreto estructural. El cemento para el concreto lanzado debe tener un desarrollo rápido de fraguado inicial y muy alta resistencia temprana. El concreto lanzado requiere de acelerantes y aditivos, razón por la cual el cemento que no reaccione bien al combinarse con éstos, no es apropiado para la producción y estabilización del terreno. 43 4.4.3.2 Agregados Entre arena y grava, los agregados constituyen aproximadamente el 75% del volumen total de la mezcla de concreto. El origen geológico del agregado tiene una fuerte influencia en la manejabilidad y otras propiedades del concreto endurecido. A continuación se menciona las funciones principales de los agregados (Hofler, 2004): Parámetros que determinan el requerimiento de agua. Llenante de menor costo en la mezcla de concreto. Obtención de propiedades mecánicas (resistencia a la tensión, flexión y resistencia a compresión). Fuerte influencia en la manejabilidad de la mezcla (formas de las partículas y finos). Alta influencia en la durabilidad requerida (porosidad y pureza). Por todo esto, al agregado debe dársele mucha importancia. Por ejemplo, si el contenido de finos <0.125 milímetros cambia solo en un mínimo porcentaje, la mezcla quizás, de ser extremadamente manejable, pase a ser imposible de bombear, o si el porcentaje de componentes blandos en el agregado es demasiado alto, su resistencia al congelamiento sea nula. En lo concerniente a la tecnología del concreto, las curvas de granulometría con una partícula de tamaño máximo de 16 milímetros son buenas, pero en términos del proceso de aplicación de concreto lanzado, el tamaño de las partículas hasta 8 milímetros ofrece ventajas. Las curvas de granulometría para las aplicaciones seca y húmeda de concreto lanzado son: Figura 11. Distribución granulométrica recomendada por la norma europea de concreto lanzado. 44 4.4.3.3 Relación Agua Cemento La relación agua-cemento se definirá como inferior, en cualquier caso a 0,4-0,5, dependiendo del tamaño, gradación, calidad de los agregados y aditivos empleados (ver más adelante), de modo que la consistencia medida por asentamiento en el cono de Abrams se sitúe entre 3,81 y 7,62 centímetros (consistencia fluida) con la mínima cantidad de agua requerida. Consistencias inferiores implican un mal funcionamiento de la bomba, bajo rendimiento y una sobredosificación de acelerante. Por otra parte, la relación agua-cemento elevadas implican una mala calidad, baja resistencia mecánica del concreto y mayores dosis de acelerante. 4.4.3.4 Contenido de agua El agua para mezclar y curar deberá estar libre de sustancias que puedan dañar al concreto o al acero. Los límites máximos de cloruros y sulfatos serán, en peso, los siguientes: Cloruros expresados en ión Cl6.000 p.p.m. Sulfatos expresados en ión SO-41.000 p.p.m. El agua va dentro del concreto lanzado como agua añadida durante su producción y como humedad inherente en el agregado. La consistencia de la mezcla está regulada por el agua y los aditivos. El agua de mezclado no debe contener ningún componente que retarde o acelere el proceso de hidratación. Estos son principalmente: Aceite y grasa. Azucares. Sales clóricas. Sulfatos. Regularmente, el agua natural subterránea, el agua lluvia, el agua de río y de lagos es adecuada. El agua marina no se recomienda utilizarse, debido a su alto contenido de cloruros. El agua potable siempre es adecuada para la producción de concreto lanzado. 4.4.3.5 Impermeabilización 4.4.3.6 Aditivos En la literatura hay varias clasificaciones según la región y países, por lo que como base para la clasificación de los tipos de aditivos se hará uso de la norma ASTM C-494 de acuerdo con su función en el concreto. 45 Aditivos Reductores de agua Retardadores Acelerantes Reductores de agua Retardadores Reductores de agua Acelerantes Reductores de agua de alto poder Reductores de agua de alto poder-retardantes Tipo A B C D E F G Tabla 8. Clasificación aditivos. Como se aprecia en la tabla anterior, existen aditivos con funciones simples y otros que conjugan una función primaria o principal con una función secundaria. Cada uno se define a continuación: Tipo A/Reductor de agua: permite disminuir la cantidad de agua para obtener determinada consistencia del concreto. Tipo B/Retardador: posterga el fraguado del concreto. Tipo C/Acelerante: aditivo que acelera el fraguado del concreto y la ganancia de resistencia. Tipo D/Reductor de agua-retardador: permite disminuir la cantidad de agua para obtener determinada consistencia (acción primaria) y además retarda el fraguado del concreto (acción secundaria). Tipo E/Reductor de agua-acelerante: aditivo que acepta reducir la cantidad de agua necesaria para conseguir determinada consistencia del concreto (acción primaria) y acelera el fraguado y la ganancia de resistencias (acción secundaria). Tipo F/Reductor de agua de alto poder: es aquel que posibilita reducir en más del 12% la cantidad de agua de amasado requerida para obtener determinada consistencia del concreto. Tipo G/Reductor de agua de alto poder y retardador: posibilita reducir en más del 12% la cantidad de agua de amasado requerida para lograr determinada consistencia del concreto (acción primaria) y además retarda el fraguado (acción secundaria). 46 Los aditivos se emplean para mejorar y/o cambiar las propiedades del concreto que no suelen ser controladas correctamente por los componentes cemento, agregados y agua. Los aditivos pueden ser también adicionados al concreto lanzado durante el proceso de lanzado para controlar el fraguado inicial. Los aditivos de concreto hacen que el concreto sea un sistema complejo de múltiples materiales. Los aditivos de concreto lanzado se dosifican según el peso o volumen del cemento. Éstos se adicionan en un rango variable entre 0.5% y 6%, dando cantidades de 2 kg/m³ a 30 kg/m³, valores que están en el rango de las milésimas partes del volumen total de concreto. Todos los aditivos son agregados en concreto durante su mezclado en planta, justo después de la medición inicial de agua. Como excepción encontramos el acelerante del fraguado que se adiciona inmediatamente antes del lanzado. Aditivos súper plastificantes/reductores de agua de alta actividad. El uso de aditivos súper plastificantes es necesario para lograr un trabajo más aceptable según las relaciones agua/cemento inferiores a 0.4-0.45. Se hace necesario emplear dosificaciones superiores a las empleadas en concretos convencionales, debido a la elevada cantidad del arena empleada y a los requerimientos de este concreto, en especial si se utiliza microsílice. El uso de aditivos súper plastificantes permite una mezcla de alta calidad con una fácil puesta en obra, dando como resultado fraguados a tiempo correctos (aprox. 2 minutos) y una dosificación de acelerante razonable (3-5 %). Estabilizantes de fraguado/retardantes de fraguado. Por distintas razones, ejemplo transporte, se hace imprescindible controlar el fraguado del concreto hasta su llegada a la bomba de lanzado. Adicionalmente, permite que el tiempo de manejabilidad del concreto lanzado se ajuste, sin variaciones, en un rango de una a dos horas. Es común combinar las propiedades de los súper plastificantes con los efectos de los retardantes. Esto, con el objetivo de tener siempre mezcla disponible para lanzar. Hay estabilizantes que retardan el fraguado hasta 72 horas, manteniendo la consistencia durante un largo periodo. Otra práctica muy común es la adición de acelerante en la boquilla de lanzado, que neutraliza el efecto estabilizante y permite el fraguado instantáneo del concreto. Acelerantes/activadores de fraguado. Los acelerantes, utilizados en forma líquida o en polvo, controlan el tiempo de fraguado del concreto después de su aplicación. Un factor importantísimo es la estabilidad en la dosificación del acelerante para el control del tiempo de fraguado, por lo que la dosificación de estos aditivos debe hacerse con equipos que garanticen una baja variabilidad de la dosis acorde con el flujo de concreto. 47 Los activadores de fraguado se clasifican según su composición química, acción y efecto en el fraguado del concreto. Los acelerantes empleados deben estar totalmente exentos de cloruros. Los acelerantes denominados álcali-free reducen gran parte de los efectos secundarios producidos por los tradicionales. Los acelerantes tradicionales (basados en aluminatos y silicatos) son sustancias básicas y con un alto contenido de álcalis. Aunque se logran excelentes rendimientos en el fraguado, permiten aplicar grandes espesores de concreto, sus efectos secundarios –pérdida de resistencia mecánica final– son importantes sobre: el concreto endurecido, las condiciones de trabajo (sustancias altamente corrosivas y cáusticas) y el medio ambiente (generan vertidos de alta peligrosidad). Con el uso de acelerantes libres de álcalis, aparte de una rápida adquisición de resistencias iniciales, se obtienen mayores resistencias finales en el concreto lanzado, igual que un ambiente de trabajo más seguro y menos impacto medioambiental (debido a que son sustancias no alcalinas). En el proceso de lanzado por vía húmeda es necesario añadir acelerantes/activadores en la boquilla. Su efecto es el de reducir la consistencia, hasta el punto de provocar un fraguado casi instantáneo, lo cual permite que su aplicación sea posible en superficies verticales o en bóvedas. Sin embargo, como efecto secundario presentan una reducción de resistencia mecánica a largo plazo, cuando se usan acelerantes a base de aluminatos o silicatos. El rendimiento de estos se incrementa con una disminución de la relación agua/cemento, cementos rápidos (tipo I) y aditivos que no provoquen retrasos de fraguado. Para equilibrar el rendimiento de los acelerantes tradicionales se precisa una mayor dosificación de acelerante álcali-free. 4.4.3.7 Fibras El concreto es relativamente resistente en compresión, pero débil en tensión, que da como resultado fragilidad. La debilidad en tensión puede superarse con el uso de refuerzo convencional de varilla y, en cierta medida, con la adición de un volumen suficiente de ciertas fibras. El concreto reforzado con fibras en su composición incluye fibras cortas aleatoriamente distribuidas en la mezcla. Su uso brinda mayor energía de rotura a flexión y menor retracción del material. Hoy, en el mercado existe una amplia variedad de fibras que se utilizan para mejorar las propiedades, gracias a su buen comportamiento estructural, ductilidad y durabilidad. Hay dos tipos de fibras: metálicas y sintéticas. Las metálicas se utilizan en el concreto para incrementar su ductilidad, mejorar la resistencia al impacto y reducir la propagación de grietas. Las sintéticas se usan para mejorar las propiedades de contracción inicial y aumentar la resistencia al fuego. Según Hofler (2004), sus principales ventajas son: Distribución homogénea del refuerzo de fibra en el concreto. Incremento en la ductilidad del concreto lanzado. Alta resistencia a la tensión y flexión. Mayor seguridad debido a la deformación pos-fisuración. 48 Aumento de la resistencia al impacto. Mejor adherencia. Reducción de las fisuras por retracción temprana. Mayor resistencia al fuego. Gracias a que estas fibras se fabrican de diversas maneras, hay una gran variedad de formas, diámetros, longitudes y aleaciones. La norma ASTM C 820 clasifica las fibras metálicas según su origen –alambre frío, lámina cortada y extracción a partir de una masa fundida–. Los parámetros que describen la calidad de las fibras son: el radio de aspecto (longitud/diámetro), la resistencia a la tensión de la fibra y su forma geométrica. No todas las fibras metálicas son iguales. Existen diferentes calidades de acero, longitudes y formas; por tanto, diferentes tipos de fibras requieren distintas dosificaciones, motivo por el cual debe verificarse la cantidad mediante pruebas previstas en el sitio. No obstante, las fibras de acero presentan algunas deformaciones: extremos más anchos, terminación en forma de gancho u ondulaciones, entre otros. Estas deformaciones tienen el fin de incrementar la resistencia al desprendimiento de la fibra con la matriz cementante. Otra característica muy importante en la selección de una fibra metálica, es la resistencia a la tensión. Con fibras de acero de alta resistencia a la tensión, se obtiene mejor ductilidad (resistencia residual luego del agrietamiento). Debe evitarse el uso de fibras con resistencia baja a la tensión. 4.4.3.7.1 Requerimientos de fibras estructurales Como se mencionó antes, el concreto lanzado es un material frágil con resistencia limitada a la tensión y a la flexión, pero con excelente resistencia a la compresión. Su reforzamiento con acero convencional o malla electrosoldada es posible, pero su instalación es dispendiosa, toma demasiado tiempo y presenta condiciones críticas en cuanto a seguridad industrial. Además, las barras de refuerzo no se adaptan bien al grosor de capa flexible de diseño del concreto lanzado. Por esto, el concreto lanzado reforzado con fibra se ha vuelto mucho más importante. Sumado a esto, el desarrollo de nuevos y más efectivos tipos de fibra, su creciente disponibilidad y su inclusión en varios estándares lo hace una práctica más común y de mayor auge. Se consideran fibras estructurales aquellas que son más resistentes, tienen un módulo de Young superior a 25 Gpa y mayor resistencia a la tracción. En la figura se comparan el módulo de Young, la resistencia a tracción y la deformación de algunas de las principales fibras. 49 Figura 12. Curva esfuerzo deformación de algunas fibras de refuerzo. 4.4.3.7.2 Fibras metálicas Las fibras de metal se han usado en el concreto desde principios del siglo XX. Las primeras fibras eran redondas, lisas y el alambre era cortado en pedazos de acuerdo con la longitud requerida. Actualmente, estas tienen superficies ásperas, extremos en gancho, o son rizadas u onduladas a lo largo de su longitud. Por lo general, las fibras metálicas tienen diámetros equivalentes según el área de la sección transversal, de 0.15 a 2 milímetros y longitudes de 7 a 75 milímetros. Las relaciones de aspecto varían de 20 a 100 (relación entre la longitud y diámetro equivalente, que es el diámetro de un círculo con un área igual al área de la sección transversal de la fibra). Típicamente, el contenido de la fibra metálica varía de 0.25 a 2% por volumen. Con contenidos superiores al 2% por volumen genera una labor dispendiosa al distribuir la fibra, pero se pueden usar exitosamente en donde el contenido de cemento en la mezcla se incrementa y el tamaño del agregado grueso no sea mayor a 10 milímetros. El concreto reforzado con fibras de acero que contiene hasta 1.5% de fibra, ha sido bombeado de forma exitosa con el uso tuberías de 125 a 150 milímetros de diámetro. Los contenidos de fibra de acero de hasta 2% por volumen se han usado en aplicaciones de concreto lanzado utilizando tanto el proceso húmedo como el seco. La fibra debe adicionarse en el momento de la fabricación del concreto, pero adición es posible en obra. El rendimiento de las fibras depende de la dosificación (kg/m3), de parámetros como resistencia a la tracción, longitud, diámetro, anclaje y forma. Un factor determinante en la calidad del concreto reforzado con fibras, es la relación entre la longitud y el diámetro, es decir, cuanto más alta sea esta relación l/d, mayor será el rendimiento. 50 4.4.3.7.2.1 Ventajas técnicas Las fibras de acero tienen alta resistencia a tensión (0.5–2 GPa) y alto módulo de elasticidad (200 GPa), una característica dúctil y plástica en esfuerzo-tensión y una baja fluencia. Las fibras metálicas incorporadas al concreto lanzado mejoran la resistencia a la presencia de fisuras, la ductilidad, la absorción de energía y su resistencia a la deformación bajo carga. La superficie de las fibras deberá estar limpia y libre de otros productos que comprometan su adherencia al concreto. El módulo elástico en compresión y el módulo de rigidez en torsión no son diferentes antes del agrietamiento, cuando se compara con el concreto simple probado bajo condiciones similares. Se ha encontrado que el concreto reforzado con fibras de acero, gracias a la ductilidad mejorada, mejora su capacidad de resistencia a impactos, y la resistencia a la fatiga del concreto se ha incrementado hasta en 70% (imcyc, 2007). En la actualidad existen nuevos tipos de fibras diseñadas para conseguir unas propiedades óptimas, que mejoran la geometría, el tamaño, sus propiedades mecánicas y su compatibilidad con la matriz de cemento. Una de las fibras desarrolladas es la denominada Torex, hoy llamada Helix, fabricada con acero de muy alta calidad y diseñada con una forma y tamaño optimizados, de forma que se consigue una gran trabazón entre ella y la matriz de cemento (Geoconsult, año no publicado). En la siguiente figura se representan las curvas tensión-deformación para un concreto reforzado con una fibra normal (a) y con una fibra Torex (b); en el segundo caso se muestra una zona (II) en la que el concreto desarrolla una tensión creciente, hasta el punto de rotura con un máximo σpc y con una deformación εpc; el concreto muestra un comportamiento de endurecimiento por deformación y desarrolla una energía de deformación representada por el área sombreada de la zona (II), que representa la medida de su tenacidad. 51 Figura 13. Curva de esfuerzo-deformación de algunas fibras de refuerzo, a). Concreto convencional con fibra, b). Concreto de alta resistencia con fibra Torex 4.4.3.7.3 Fibras sintéticas Como su nombre lo indica, se fabrican a partir de materiales sintéticos que resisten el medio alcalino del concreto durante largo tiempo. Las fibras sintéticas son añadidas al concreto antes o durante la operación de mezclado. El uso estas, en proporciones típicas, no requiere de ningún cambio en el diseño de la mezcla. 4.4.3.7.3.1 Fibras de vidrio Para su fabricación se extruye el vidrio fundido a través de unos tamices. En forma pura es un molímero (SiO2) N. En su forma más frecuente presenta una estructura tetraédrica, con los átomos de oxígeno situados en los vértices del tetraedro y el átomo de silicio situado en el centro del tetraidro. Por su estructura amorfa, las propiedades de la fibra son las mismas en la dirección de esta que en la dirección perpendicular. La fibra de vidrio está disponible en longitudes continuas o en trozos. Se utilizan longitudes de fibra de hasta35 milímetros en aplicaciones de rociado y las longitudes de 25 milímetros en aplicaciones de premezclado. Esta fibra tiene alta resistencia a tensión (2-4 GPa) y alto módulo elástico (70–80 GPa), pero presenta características quebradizas en esfuerzo-deformación (2.5-4.8 % de alargamiento a la rotura) y poca fluencia a temperatura ambiente. Se han hecho afirmaciones en el sentido de que se ha usado con éxito hasta en 5% de fibra de vidrio por volumen en el mortero de arena-cemento, sin formar bolas. 52 Los productos de fibra de vidrio expuestos a ambientes a la intemperie han mostrado una pérdida de resistencia y ductilidad. Las razones no son claras y se especula que el ataque de los álcalis o la fragilidad de las fibras son, tal vez, las posibles causas. Por falta de datos acerca de la durabilidad a largo plazo, el GRC ha sido confinado a usos no estructurales, en donde tiene amplias aplicaciones. Es adecuado para usarse en técnicas de rociado directo y procesos de premezclado; ha sido empleado en reemplazo de fibras de asbesto en hojas planas, tubos y productos prefabricados. 4.4.3.7.3.2 Fibras de carbono Las fibras de carbono se fabrican a partir de dos tipos de materiales: polímeros textiles, como el rayón, y alquitranes, procedentes de las refinerías de petróleo o carbón. Este tipo de fibras alcanza módulos de elasticidad Young de hasta 1000 Gpa. Al mezclarse con el concreto brinda alta resistencia a tracción y flexión, durabilidad, menor densidad, estabilidad química, resistencia a la corrosión, a ácidos y álcalis, resistencia a altas temperaturas, al igual que resistencia a vibraciones, sismos y explosiones. Su uso es limitado por su alto costo. La utilización de fibras de carbono, en una proporción de 0,2%-0,4% en volumen en sostenimientos y revestimientos permite –por su conductividad eléctrica– convertir a estos en “inteligentes” (Cornejo, L. 2007). Las variaciones de resistencia al paso de una débil corriente eléctrica permiten conocer el grado de fisuras del concreto, lo cual aumenta su resistencia con el incremento de las fisuras y fracturación de este. 4.4.3.7.3.3 Fibras de polipropileno El polipropileno es un polímero de hidrocarburo sintético fabricado mediante un proceso de extrusión en que el material es estirado en caliente a través de un troquel. En el mercado se encuentran diferentes tipos de fibras, cuya densidad varía entre 0,91 y 0,92. Este tipo de fibras son hidrófobas, y por tanto tienen como desventajas el tener pobres características de adherencia con la mezcla de cemento, motivo por el cual su uso en forma sinusoidal es necesario para mejorar su adherencia. Sus principales beneficios en el concreto son: menor peso, mayor adherencia, aumento de la ductilidad del concreto, resistencia a la corrosión, incremento de la durabilidad, resistencia pasiva al fuego con dosificaciones de 2 kg/m³, reducción de las fisuras en el proceso de fraguado del concreto en dosificaciones de 5 kg/m³-8 kg/m³. Incremento proporcional a la tenacidad, resistencia residual al impacto y a la flexión según la cantidad de fibras utilizadas. Mejor calidad de acabados superficiales. Alta capacidad de absorción de energía, superior a 1.000 julios, con una elongación máxima de 25 milímetros, con dosificaciones de 7 kg/m³. Resistente a la fracturación (strain-hardening) con dosificaciones de fibra > 5 kg/m³. Las fibras de polipropileno tienen baja resistencia a la tensión y bajo módulo de elasticidad. Se asegura que se han usado exitosamente contenidos de fibras de polipropileno de hasta 12% por volumen, con técnicas de fabricación de empacado manual. Sin embargo, se ha reportado que volúmenes de 0.1% de fibras de 50 milímetros en el concreto han causado una pérdida de revenimiento de 75 milímetros. Según reportes publicados, las fibras de polipropileno reducen la contracción no restringida, plástica y por secado, del concreto a contenidos de fibra de 0.1 a 0.3 % por volumen. 53 4.4.3.7.4 Concreto lanzado por vía seca En el concreto lanzado por vía seca el agua se añade en la boquilla antes de ser lanzado. Por vía seca, la mezcla de concreto se compone de agregado, cemento y cualquier tipo aditivo de concreto lanzado sin agua. Esta puede estar completamente seca (polvo seco) o estar humedecida por la humedad del agregado. Para su lanzado por vía seca, el concreto se mezcla con agua y acelerantes de fraguado en la boquilla, justo antes de ser aplicado. Por lo regular, se emplean cementos de fraguado especial, que se endurecen en corto tiempo después de humedecerlos con agua, en lugar de aceleradores de fraguado. Este procedimiento de colocación presenta algunas desventajas (Osorio, Concreto lanzado en túneles Colombia, 2008): Mayor cantidad de polvo. Mayor cantidad de rebote, superior a 25%. La colocación de concreto lanzado por vía seca presenta variaciones en la dosificación del agua; por ende, en la homogeneidad de la mezcla y una variación en la resistencia. El control del agua lo hace el lanzador de acuerdo con su experiencia. Bajo rendimiento en la colocación. 4.4.3.7.5 Concreto lanzado por vía húmeda El concreto lanzado por vía húmeda, en el agua es adicionada durante el proceso de mezcla, está compuesto por agregado, cemento, agua y aditivos. Adicionalmente, se añade aire y acelerantes de fraguado antes del lanzado. El procedimiento de lanzado por vía húmeda comprende las siguientes fases: Se mezclan el cemento, los agregados, el agua, y los aditivos, excepto el acelerante, con el que se busca una mezcla homogénea que presente un asentamiento mínimo para ser bombeado según las especificaciones. En el sitio de lanzado, se revisa el asentamiento. Se lleva un registro de operario y ubicación del lanzado. Se lanza una lechada para lubricar la manguera. Se introduce y conduce la mezcla por la manguera de transporte. En la boquilla se inyecta aire a presión y se incorporan los aditivos. El concreto se lanza a alta velocidad, compactándolo y asegurando su adherencia. La boquilla se ubica a una distancia de entre 0,8 y 1,2 metros de forma perpendicular a la superficie. 4.4.3.7.6 Ventajas El concreto lanzado por vía húmeda es el método más moderno y eficiente. Dentro de las ventajas de este proceso de lanzado encontramos (Franzen, T., 2001, Hofler, J., & Schlumpf, J., 2004): 54 Con una mezcla correcta para lanzado, con equipos adecuados y mano de obra calificada, es posible obtener rebotes de entre 5 y 10%. Mejor ambiente de trabajo y menor emisión de polvo. Capas de mayor espesor, gracias al uso efectivo de aditivos. Mejor control del agua de mezclado, relación agua/cemento constante. Mejor adherencia. Mezclas más homogéneas, con mayor resistencia a la compresión y menor desviación en los resultados, permiten mayor adherencia. Mayor capacidad de producción, más agilidad en la colocación y mayor rendimiento en la obra, lo cual redunda en reducción de costos. Se permite mayor producción de concreto, más agilidad en la colocación y, así, mayor rendimiento en la obra. Ideal para la aplicación de fibras. Puede ser reforzado con fibras de acero o de polipropileno de alto desempeño Puede diseñarse para su autocurado. 4.4.3.7.7 Desventajas Altos requerimientos en la calidad de los agregados. Distancia de transporte cortas. Limitadas interrupciones en el lanzado. Gastos de limpieza. 4.4.3.8 RAZONES PARA EL USO DEL CONCRETO LANZADO POR VÍA HÚMEDA 4.4.3.8.1 COSTOS La capacidad de lanzado de las máquinas de mezcla seca hacia robots de mezcla húmeda se ha incrementado sustancialmente. El promedio de lanzado en mezcla húmeda en turnos de ocho horas es 4 a 5 veces más alta que en mezcla seca. Los costos de inversión en nuevos robots de mezcla húmeda se han incrementado notoriamente. Sin embargo, las reducciones en costos del material se han reducido de forma paralela. Uno de los principales costos está en la puesta a punto para cada lanzado. Su disminución se ha propiciado gracias al uso de sistemas robotizados, que logran iniciar el proceso de lanzado minutos después de su llegada a terreno. Con el uso de martillos hidráulicos la capacidad de perforación ha aumentado en cerca de 100% (Franzen, T., 2001). Con mayores inversiones se disminuyen los tiempos de perforación y voladura por cada ciclo de trabajo. Por tanto, el tiempo es costo y se vuelve clave el aumento de la capacidad de lanzado del concreto. La reducción en el porcentaje de rebote es de alrededor ¼ por m³ de concreto lanzado, lo que implica un impacto económico alto. 55 4.4.3.8.2 Calidad De acuerdo con Hofler y Schlumpf, la calidad no es considerada normalmente como una ventaja o razón para cambiar el lanzado por vía seca a húmeda. No se considera que la mezcla húmeda produzca mala calidad. Con el uso de aditivos reductores de agua y microsílice, el valor máximo de resistencia a la compresión del concreto lanzado por vía húmeda puede ser de hasta 100 MPa. La variabilidad de la calidad del concreto lanzado por vía húmeda es bastante estable, con una baja dispersión en los resultados. Por otra parte, el lanzado por vía seca es más problemático. 4.4.3.8.3 Aplicación En el método húmedo, la mezcla de concreto proviene de una planta. El concreto se fabrica en la misma forma que el concreto normal, razón por la cual es posible verificar y controlar la relación agua/cemento y por consiguiente, la calidad en cualquier momento. Por ejemplo, la consistencia puede ser controlada con el uso de aditivos. La producción de mezclas uniformes se hace más fácil durante el proceso de lanzado. La mezcla lista es vaciada en una bomba e impulsada por la manguera hacia la boquilla por presión. Al final de la manguera se encuentra la boquilla, donde el aire es agregado a la mezcla de concreto, a razón de 7-15 m³/min. y con una presión de 7 bares, dependiendo si es aplicado manualmente o por robot. La adherencia y compactación se asegura gracias a la adición de aire en la boquilla. Un error común en el método húmedo es el no uso de aire suficiente en el lanzado, con valores de 4-8m³/min., lo que brinda bajos resultados de resistencia a la compresión. En el lanzado con robot, hasta 15 m³/min. son los recomendados. 4.4.3.9 Diseño de mezcla El diseño de la mezcla del concreto lanzado por vía húmeda depende de los requerimientos de las especificaciones y del manejo esperado, definidos por los siguientes: Resistencia a la compresión, y durabilidad. Métodos de manejo, condiciones de temperatura. Desarrollo de la resistencia temprana. Los costos de la mezcla de concreto lanzado por vía húmeda. Con base en estos parámetros, se seleccionan: el tipo de cemento y su contenido, tipo de agregado y su gradación, contenido de agua y el tipo y cantidad de aditivos. Por último, se evalúan mediante ensayos que confirman el diseño o se hacen cambios según los resultados. La curva de gradación depende principalmente del tipo de agregados disponibles en la zona. La que mejor se acomode a los requerimientos mencionados, debe establecerse por ensayo y experiencia con el material granular disponible. 56 En su composición básica, el concreto lanzado está compuesto por: • Cemento. • Microsílice. • Agregado. • Aditivos súper plastificantes. • Estabilizantes de fraguado. • Acelerantes de fraguado. • Fibras. • Curadores internos. 4.4.3.9.1 Cemento Los tipos de cemento empleados en los casos más comunes son Portland normal o de alta resistencia inicial. Regularmente se utiliza una proporción de cementante que varía entre 400 y 500 kg/ m³ de concreto. El contenido real de cemento en el concreto colocado será mayor gracias al rebote. El principal efecto del rebote es la pérdida del agregado de mayor tamaño, que conduce a un aumento en la proporción de cemento, si se lo compara con la mezcla inicial (Efnarc, 1999). 4.4.3.9.2 Microsílice El humo de sílice o microsílice tiene un alto poder puzolánico que le confiere al concreto propiedades como: impermeabilidad, resistencia ante al ataque de sulfatos y resistencia a las heladas. Su empleo responde a dos razones: como sustituto de parte de cemento –por economía y/o como adición para mejorar propiedades, tanto en estado fresco como endurecido. El porcentaje de adición de microsílice suele oscilar entre el 5% y el 10% sobre peso de cemento, aunque en casos aislados se utilicen dosis de hasta el 20%. El empleo de microsílice proporciona las siguientes propiedades: – Mejor capacidad de bombeo: lubrica y previene la exudación y la segregación. – Menor desgaste del equipo y de las mangueras de bombeo. – Mayor cohesión en estado fresco y, por tanto, menor consumo de acelerante. – Resistencias mecánicas superiores. – Mayor durabilidad. 57 – Menor rebote. En el concreto lanzado reforzado con fibras, además ofrece: – Mayor facilidad de mezcla y distribución de las fibras. – Menor rebote de las fibras. – Mejor enlace entre la matriz de cemento y las fibras. Debido a la fineza del microsílice, al agregarse al concreto se requieren dosis más elevadas de un plastificante para dispersarla (Melbye, T., 1994). En el caso de concreto lanzado con fibras metálicas, la microsílice también facilita la distribución de éstas en la masa y mejora la adhesión entre la matriz de cemento y las fibras (Efnarc, 1999). 4.4.3.9.3 Agregados La granulometría se ajustará a las “Especificaciones para el concreto lanzado” de la Efnarc. Debe asegurarse un tamaño de partículas gruesas menores a 10-12 milímetros para facilitar el correcto bombeado del concreto sin obstrucciones en la boquilla y reducir el rebote. Por tanto, el contenido en agregado superior a 8 milímetros no deberá exceder el 10%. Por otra parte, el contenido de finos deberá estar entre 4 y el 8%. Menores porcentajes se compensarán agregando más cemento y microsílice. De lo contrario, un exceso de finos demanda más agua, lo que exige un incremento en la cantidad de aditivo reductor de agua. Los materiales finos demasiado pequeños producen segregación, mala lubricación y riesgo de atascamiento. Sin embargo, para concretos lanzados con fibras, el sobrante de material fino es importantísimo, tanto para el bombeo como para la compactación. Ninguna fracción de los agregados debe constituir más del 30% del total (Melbye, T., 1994) Figura 14. Zona de gradación de agregados recomendada por Efnarc. 58 Aparte de la forma, tamaño del grano y la gradación, el contenido de humedad, composición, lavado y contenido de materia orgánica también deben ser considerados. El uso de materiales triturados, en lugar de arena natural, a menudo resulta en un aumento de la demanda de agua y una mayor dificultad de compactación y viscosidad, por lo que se recomienda la realización de ensayos. 4.4.3.9.4 Adiciones-aditivos Los aditivos tienen como finalidad lograr propiedades específicas en el concreto fresco y en el endurecido. Comúnmente, los más utilizados son: estabilizantes, acelerantes, plastificantes o súper plastificantes e incorporadores de aire. Por ejemplo, los estabilizantes son indispensables para mantener un trabajo eficaz y extender el tiempo de transporte y colocación, sin afectar la calidad del concreto. Éstos logran mantener el material “dormido”, desde algunas horas hasta tres días según la dosis aplicada. Para reactivar la hidratación se agrega el acelerante durante el proceso de proyección. Las ventajas brindadas por los plastificantes son: reducción de la demanda de agua para buena fluidez, cohesión en estado plástico y mayor facilidad de bombeo. Respecto a los incorporadores de aire, estos otorgan resistencia a ciclos de congelamiento y deshielo, cohesión y mayor fluidez al concreto fresco. 4.4.4 Durabilidad La relación agua/cemento afecta las propiedades del concreto endurecido y es el factor de mayor influencia en su durabilidad. En el caso específico del concreto lanzado, a menos contenido de agua en una mezcla, mayor es la durabilidad del material, pero solo si se combina con un curado adecuado. Esta relación está influenciada por los límites de contenido de agua de los materiales disponibles. Relación agua/cemento < 0.55 para concreto con especificación baja. Relación agua/cemento < 0.50 para concreto con especificación media. Relación agua/cemento < 0.46 para concreto con especificación alta. El concreto lanzado se ve influenciado por el fraguado temprano, lo cual generalmente es controlado con un acelerante o un cemento especial. Sin embargo, el empleo de acelerantes reduce la resistencia final, por lo que es recomendable el uso de acelerantes libres de álcalis en la producción de concreto lanzado durable. La formulación correcta del concreto lanzado permite satisfacer todos los requerimientos de durabilidad que se busca en el concreto convencional. El curado adecuado en el concreto lanzado asegura un comportamiento ideal, pero este es más complejo que en el concreto convencional, principalmente por las corrientes de aire que secan la mezcla durante las primeras horas, fundamentales para asegurar la resistencia final deseada. Otro método usado en el concreto convencional es el de humedecer la superficie, pero es una labor muy complicada para llevar a cabo en un túnel. Para ello se tienen máquinas de curado móvil, que representan sobrecostos importantes y complican el trabajo dentro del túnel. Otra opción es hacer uso de agentes de curado interno, que son agregados durante la producción, y una vez mezclados empezaban con el proceso de curado. 59 Según Uribe (Uribe-Afif, R. (1999)), a pesar de que ambos métodos tienen ventajas específicas los avances en la tecnología de los materiales y el equipo hacen que estos dos procesos sean intercambiables. En la mayoría de las aplicaciones, el método preferido está determinado por cuatro factores: economía, disponibilidad de material y equipo; acceso a la obra, así como por la experiencia y preferencia del contratista. Hoy en día, los niveles de rebote y polvo, así como la resistencia y durabilidad, pueden ser similares, independientemente de qué método se emplee. En Estados Unidos, Canadá, Europa y Japón, donde la mano de obra es más costosa que en México y el resto de América Latina, el concreto lanzado por vía húmeda es de mayor uso que el de vía seca. Sin embargo, "se seguirán utilizando los dos sistemas, dependiendo de los factores mencionados". 4.4.4.1 Diseño de mezcla El principal factor que determina la durabilidad de la estructura de concreto es asegurar una baja permeabilidad, lo cual reduce el ingreso de sustancias potencialmente dañinas. De este modo inhibe las posibles reacciones químicas con el cemento y previene cambios químicos. Para lograr una baja permeabilidad en el concreto lanzado se debe (Franzen, T., 2001): Un material bien gradado es adecuado para la aplicación del sistema de lanzado de concreto, en términos de capacidad de bombeo, posibilidad de reducción de rebote y una buena compactación. En todos los agregados debe comprobarse la reacción álcali-sílice. Un correcto contenido de cemento está entre 400 y 500 kg, y no inferior a 350 kg. Una baja relación agua/cemento inferior a 0.45 con la utilización de agentes reductores de agua/superplastificantes. Los súper plastificantes modernos, se refieren a “hiper- plastificantes” que logran relaciones a/c entre 0.35 y 0.4, mientras mantienen un asentamiento de 20 centímetros. El control de las microfisuras a valores de 0.2 milímetros con el uso de fibra de refuerzo en vez de malla, lo que mejora los procesos de autocurado. La utilización de aditivos controladores de hidratación permiten la hidratación prematura de la mezcla antes de ser aplicada sobre la superficie. La pre-hidratación puede causar deterioros significativos en el estado endurecido de la mezcla y un aumento en la permeabilidad. Aplicar sistemas de curados 60 Figura 15. Ensayos de permeabilidad de concreto lanzado usando aditivos libres de álcali. 4.4.4.2 Durabilidad del refuerzo con fibras de acero El principal beneficio en el uso de concreto reforzado con fibras metálicas en vez de malla soldada, en ambientes severos, es que la oxidación sufrida por la malla genera expansiones, mientras que la corrosión sufrida por las fibras no ocasiona aumentos o expansión en el concreto. Adicional a lo anterior, las fibras están protegidas por una matriz alcalina. Por tanto, no existe una continuidad entre las fibras para que la corrosión se propague a lo largo del refuerzo, según lo expuesto por numerosos casos históricos, donde el refuerzo ha sido expuesto a procesos de congelamiento y altos niveles de salinidad. 4.4.5 Aplicación-lanzado Tradicionalmente, en el ambiente de los túneles existen numerosas soluciones, altos niveles de riesgo y presión en los plazos de entrega. Por lo tanto, el constructor requiere de un aliado competente y confiable. Solo con el balance de un equipo confiable, productos de alta calidad y operarios altamente calificados, la eficiencia se logra. En materia de tecnología, paralelo al desarrollo han existido grandes avances en los equipos indispensables para los nuevos productos y las distintas condiciones presentes en los proyectos. Como resultado, encontramos una amplia variedad de equipos para el lanzado del concreto: desde megaproyectos con grandes cantidades de concreto, hasta volúmenes pequeño en reparaciones puntuales. Como objetivo común en el desarrollo de 61 los equipos, se evidencia una tendencia en la automatización de los procesos, mejoras en el control de calidad, así como mayor seguridad al operador y mejores condiciones de trabajo. En el proceso de lanzado el transporte del concreto se define desde el vehículo que lo suministra hasta la boquilla y su colocación. Según lo expuesto anteriormente, existen diferencias entre el concreto lanzado en seco y en húmedo. Esta diferencia también aplica para los procesos, porque éstos deben transportarse y lanzarse de modo distinto, debido a las propiedades del material. Tipo de concreto lanzado Método de suministro Concreto lanzado por vía seca Flujo diluido Flujo denso Concreto seca lanzado vía Flujo diluido Boquilla Adicionar en la boquilla, inmediatamente antes: agua y acelerante de fraguado. Adicionar en la boquilla, inmediatamente antes: aire comprimido y acelerante de fraguado. A adicionar en la boquilla inmediatamente antes: aire comprimido y acelerante de fraguado. Tabla 9. Resumen de procesos de concreto lanzado. Hofler, J., & Schlumpf, J. (2004). El uso de los respectivos sistemas responde a sus respectivas ventajas. Las características de estos se comparan en términos generales en la siguiente tabla: Formación de polvo Rebote Rendimiento Costos de equipo En seco En húmedo Alto Bajo Alto Bajo Bajo Bajo Alto Alto Bajos rendimientos Altos rendimientos Secciones transversales menores Secciones - transversales mayores - Tabla 10.Criterios principales al seleccionar la técnica de lanzado. Hofler, J., & Schlumpf, J. (2004). 62 El concreto lanzado se aplica en capas, bien sea en la misma operación mediante lanzado repetitivo sobre la misma área o en una operación subsecuente. La cantidad a aplicar en cada lanzado depende de varios factores (Ibíd.): • Adherencia de la mezcla de concreto lanzado (cemento, tamaño máximo de partícula, acelerante). • Naturaleza del sustrato o de la capa de la base. • Proceso del lanzado. • Volumen del lanzado. • Dirección del lanzado (hacia arriba/horizontalmente). • Obstrucciones (refuerzo/agua). Se requiere un enfoque diferente para las diversas direcciones del lanzado. Al lanzar hacia abajo, es posible aplicar capas de cualquier grosor, pero hay que asegurarse que el rebote sea embebido o desechado, para que no se quede sobre la superficie. Al lanzar horizontalmente, se puede ir alcanzando el grosor de forma gradual en capas delgadas, o el grosor completo aplicarse de abajo hacia arriba en dirección inclinada. Aquí de nuevo debe retirarse el material que rebota en el fondo, antes de aplicar la siguiente capa. Al lanzar en la base del túnel, el peso del material y la adherencia del concreto lanzado se anulan entre sí, de manera que es necesario hacer capas más delgadas. Por lo general, un volumen menor de lanzado y capas más delgadas generan menos rebote, lo que a la final redunda en un mejor resultado, es decir, el rebote no constituye un problema. El concreto lanzado debe aplicarse perpendicularmente respecto al sustrato o el concreto colocado, maximizando adherencia, compactación y minimización al rebote. El concreto lanzado se aplica de manera mecánica o manual con movimientos circulares uniformes sobre la superficie. Este problema se evita utilizando concreto lanzado reforzado con fibras. La distancia óptima para lanzar es de 1.2 a 1.5 metros, pero a menudo se hace dentro del rango de 1 a 2 metros. A distancias mayores aumentan el rebote y la generación de polvo, lo cual reduce la eficiencia en la aplicación. 63 Figura 16. Técnicas de manejo de la boquilla y ángulo de lanzado 4.4.5.1.1 Aplicación manual El proceso de lanzado manual define el acarreo del concreto o mortero lanzado, desde que es transportado por el vehículo que lo suministró hasta la boquilla y lanzado. Se ha comprobado que hay diferencia entre el concreto lanzado en seco y en húmedo. Esta diferencia también aplica para los procesos, puesto que estos deben transportarse y lanzarse de modo distinto, debido a las propiedades del material. 4.4.5.1.1.1 Equipo para lanzado por vía seca La mezcla seca es agregada dentro de la tolva de alimentación (1), y a medida que el rotor gira, la mezcla va cayendo por gravedad dentro de la cámara del rotor (2). A medida que la cámara se llena con mezcla, otra comprime el aire. La mezcla se ubica en la cámara se salida (3), donde la acción del aire, a una presión de 6.3 bares, es lanzada a través de la manguera hacia la boquilla, donde el agua es adicionada. 64 1= tolva 2=rotor 3=salida P= Aire presurizado Figura 17. Detalle del equipo de lanzado por vía seca. Entre las máquinas para el concreto lanzado por vía seca, encontramos: • • • Máquinas de rotor. Máquinas de cámara de compresión. Máquinas helicoidales. Figura 18. Principios de operación de las máquina de tipo dos cámaras, tipo tornillo y la tipo rotor. Las máquinas tipo rotor son las más usadas para el transporte del concreto lanzado. El material pasa a través de una tolva a las cámaras de rotor. El material seco se sopla en porciones mediante aire comprimido y se transporta a alta velocidad a través de manguera y tubos. El acelerante es incorporado por un dosificador, mediante mangueras conectadas por separado, hasta la boquilla. La dosificación se sincroniza con la cantidad de concreto, de manera tal que el acelerante de fraguado se agregue constantemente. En el proceso de 65 lanzado por vía seca pueden reemplazarse los acelerantes con cementos rápidos especiales, que fraguan en muy corto tiempo tras ser humedecidos con agua. Figura 19. Esquema del equipo de lanzado por vía seca. Las ventajas de esta máquina radican en la sencillez de su uso, solidez y adaptabilidad a las condiciones específicas del sitio. Dependiendo del diámetro de salida y de la manguera, así como del tipo de rotor, el rango promedio de lanzado está entre 0.5 m³/h y 10 m³/h. Si el volumen de lanzado de lanzado y la velocidad de rotación se elevan, es necesario redimensionar la manguera de salida. Para el lanzado, el diámetro máximo es de 65 milímetros, mientras que para el transporte solo pueden utilizarse diámetros de hasta 80 milímetros. Con diámetros de tubo mayores, el consumo de aire comprimido también se incrementará (Rey, Alberto. 2006). Entre las configuraciones y características de las maquinas a rotor, se encuentran (Ibíd.): • Rendimiento (m³/h). • Usos (en seco/ húmedo/ambos). • Fuerza de propulsión (neumática/eléctrica). • Tamaño de la unidad de lanzado (dimensiones/peso/conveniencia). • Control (manual/parcialmente automatizado). • Operación (en la unidad/control remoto). 66 • Instalaciones adicionales (dosificadores/equipo de limpieza). En la práctica internacional, se ha encontrado que las máquinas de rotor tienen una larga vida útil y su uso es tradicional; sin embargo, falta mucho desarrollo en las siguientes áreas: • Mejoras en las partes propensas a desgaste. • Mejoras en la protección contra polvo. • Aumento de la eficiencia en el llenado de las cámaras. • Aumento del volumen de lanzado 4.4.5.1.1.2 Equipo para lanzado por vía húmeda El suministro de concreto por vía húmeda se realiza con las siguientes bombas: • • • Bombas dúplex. Bombas helicoidales. Bombas de prensa (bomba de rotor). En el concreto lanzado la bomba de mayor uso es la dúplex. Su diferencia principal con respecto al concreto bombeado radica en que el requerimiento para la pulsación debe ser lo más baja posible, con el objeto de conseguir un lanzado constante en la boquilla. A fin de lograr esto, se emplean varias maneras de mejorar la tasa de alimentación y reducirlas interrupciones. El aire comprimido se incorpora en la boquilla, desde el compresor de aire mediante mangueras separadas. El dosificador incorpora el acelerante en la boquilla, también a través mangueras separadas. La dosificación se sincroniza con la cantidad de concreto, de manera que la cantidad presente de acelerante de fraguado se mantenga constante. Figura 20. Esquema del equipo de lanzado por vía húmeda. 67 4.4.5.1.1.3 Proceso constructivo Preparación de la superficie De la superficie de trabajo se debe eliminar cualquier resto de suciedad o material que reste adherencia al concreto. La superficie se debe humedecer en un máximo de dos horas antes del lanzado. Es recomendable aplicar aire y agua como pre-tratamiento de la superficie. También debe evitarse la presencia de agua que pueda penetrar a través de la roca y afecte las propiedades del concreto. Antes del lanzado, se recomienda inspeccionar la superficie y localizar los diferentes tipos de roca. La limpieza con aire y agua debe hacerse desde el techo y bajar por los laterales hacia el piso. Lanzado El concreto se bombea mediante una bomba de pistón hasta la boquilla de lanzado. Según la EFNARC, allí se añade aire a una presión de aproximadamente 5-7 bares, y a razón de 715 m³ por minuto. Con este procedimiento se incrementa la velocidad del concreto, la compactación y la adherencia a la superficie sobre la que se proyecta. Después se añaden los aditivos acelerantes/ activadores de fraguado. Un paso primordial en el lanzado, es la posición de la boquilla: se mantiene lo más perpendicular posible a la superficie, con el fin de disminuir el rebote. El máximo rebote se obtiene proyectándola a 45º, y disminuye progresivamente hasta 90º, donde se minimiza. La distancia se regulará, de modo que no exceda de 1,5 metros. Al mismo tiempo, se recomienda proyectar a distancias no inferiores a 0.5 metros, por razones de rebote (Basf, 2009). 4.4.5.2 Aplicación mecanizada 4.4.5.2.1 Sistemas de proyección de concreto La aplicación del concreto lanzado con sistemas de control del lanzado se realiza en casos de alto volumen de concreto, específicamente donde se requiera un control óptimo de las cantidades de material. Estos sistemas permiten largas jornadas de trabajo, sin la posible fatiga de un operario y con mayores niveles de seguridad. Estos sistemas, por lo general, consisten en: • • • • • • • • • Brazo proyector con boquilla. Bomba de concreto. Computadora abordo. Control remoto. Unidad de control del aditivo. Tanque de almacenamiento para el acelerante. Compresor de aire. Tanque de agua de alta presión. Luces de trabajo. 68 El brazo proyector permite movimientos de la boquilla en la dirección deseada. Generalmente, el brazo está disponible en longitudes de 1, 2 ó 3 metros. La boquilla está conectada a la bomba por una manguera que permite un movimiento en cualquier dirección y a la longitud deseada. Esta es controlada por control remoto. Dependiendo del equipo, el sistema puede requerir desde un operario que controle la boquilla, hasta sistemas totalmente automáticos. En el caso de los robots, permiten al operario operar la boquilla en varios modos, desde solo manual a semiautomático hasta completamente automático. Figura 21. Robot de lanzado Sika PM 500. El objetivo de estos equipos controlados por computador no es el de automatizar todo el trabajo de lanzado, pero sí el de simplificar la tarea y permitir al operario utilizar el robot como una herramienta inteligente y trabajar de manera eficiente con un alto nivel de calidad. Gracias al ángulo correcto y a una distancia constante de lanzado en todo 69 momento, puede lograrse una reducción notable en el rebote y, por ende, disminución en costos de material. 4.4.5.2.2 Beneficios Los nuevos equipos de lanzado cuentan con sistemas de escáner por láser que miden la geometría del túnel. Esta información se utiliza para el control automático de la distancia y el ángulo del chorro de lanzado. Además, si el perfil del túnel se vuelve a medir después de la aplicación, el sistema proporcionará información sobre el espesor de la capa de concreto aplicada, que hasta ahora solo era posible determinar mediante perforaciones y puntos guías de medición. En caso de requerimientos específicos de espesor y forma, el sistema controla la boquilla, para lanzar con esos límites definidos de forma automática. • • • • Reducción de los ciclos de lanzado, gracias a la capacidad de salida más alta y a la eliminación de tiempo de instalación y remoción de andamios, sobre todo en túneles con perfiles variables. Reducción de costos, gracias a la reducción en el rebote y mano de obra. Mejora de la calidad en el lugar de trabajo. Mejora de las condiciones de trabajo para el operario, gracias a la protección de derrumbes, de rebote, polvo y los acelerantes. 4.4.5.3 Boquillas Los sistemas de boquilla son una parte importante del equipo de lanzado, y en esencia contribuyen a: • • • Menor rebote. Mejora en la adherencia. Mejor compactación. Todo lo anterior a través de una: • • Mezcla adecuada de los acelerantes, activadores y aire, en el caso de ser lanzado por vía húmeda Mezcla adecuada de los acelerantes, activadores y agua en el caso de ser lanzado por vía seca. 4.4.5.4 Sistemas de medición de desarrollo de la resistencia 4.4.5.4.1 Compatibilidad-aguja de penetración La aguja de penetración mide el desarrollo de la resistencia inicial, desde el lanzado hasta dos horas después. Es un método de prueba indirecta que utiliza una aguja de dimensiones definidas que se empuja con una fuerza definida a una profundidad definida en el concreto fresco recién lanzado. La resistencia medida es una indicación de la resistencia a la compresión del concreto lanzado. 70 Para ser precisos, este método mide en realidad una combinación de resistencia a la compresión y cizallamiento, o la resistencia a las deformaciones plásticas locales. Se realiza para establecer la dosis ideal de aditivo acelerante, con la cual el comportamiento de fraguado inicial esté dentro de 30’ y 60’ y el final entre 3 y 4 minutos. El procedimiento es similar al de los tiempos de fraguado de un cemento; la diferencia radica en que se hacen varias mezclas con diferentes porcentajes de aditivo acelerante, iniciando en una dosis que va de 2% a 10%. Se repite el ensayo hasta que los tiempos de fraguado se hallen dentro de los límites antes mencionados. Un valor normal de dosis de acelerante es de 4% a 6%. 4.4.5.4.2 Adaptabilidad Esta prueba se realiza en el frente de obra para verificar los tiempos de fraguado reales al concreto, luego de adicionar el acelerante en la boquilla. Para tal, se llena la “artesa” en el sitio de lanzado. Con la aguja de 9 milímetros se hacen penetraciones a los 2,5 y 10 minutos, mínimo tres veces por cada tiempo. Se espera que la resistencia a la penetración sea como mínimo: 2’: 24 kgf 5’: 39kgf 10’: 46kgf Este ensayo se asocia al porcentaje de rebote, que se hace para determinar la cantidad de concreto que no se adhiere a la superficie sobre la cual se está lanzando, respecto al concreto total lanzado. Para comprobarlo, se lanza un volumen determinado de una misma bachada (un viaje) y, al final del proceso de lanzado, se recupera el concreto que esté en el piso –previamente debe tener un plástico o carpa para que el concreto no se contamine–. La cantidad que se recoja del total lanzado, se compara en peso o en volumen, y se lleva a porcentaje. Un porcentaje de rebote adecuado está entre el 5% y el 10% Del, M. A. R. (2010). Concreto lanzado –proceso de colocación y evaluación de producto–. 4.4.5.5 Pautas, especificaciones y estándares Como estándares para la elaboración del concreto lanzado, se encuentran las siguientes normas, guías y especificaciones: European Specification for Sprayed Concrete, Guidelines Efnarc. ACI 506 R-90: Guide to Shotcrete (Reapproved 1995). EM 1110-2-2005: Standard Practice for Shotcrete, US Army Corps of Engineers. Spayed Concrete Guideline, Österreichisher Betonverein. Sprayed Concrete for Rock Support, Publication No. 7, Norwegian Concrete Association. EN 206: Concrete – Performance, production, placing and compliance criteria. Norma EN 14488. Association Francaise des Travaux –Aftes. 71 ACI CSS Concreto Lanzado Artesano. ACI 506R-95 Guía Concreto Lanzado. ACI 506R-95 Especificaciones del C. lanzado. ACI 660 Certificación de Operario C. lanzado ACI 506R-08 Guía para concreto lanzado reforzado con fibras. ACI 506R-09 Guía para concreto lanzado subterráneo. American Shocrete Association, ASA. NTC 3658. NTC 673. NTC 550. ACI 506. ACI 660. ASTM C 642. ASTM C 31. ASTM C 39 4.5 REVESTIMIENTO DEFINITIVO EN CONCRETO LANZADO 4.5.1 GENERALIDADES REVESTIMIENTO DEFINITIVO El revestimiento final de un túnel es la imagen de un proyecto, y tanto en el soporte primario como en el revestimiento definitivo se utilizan para una vida útil final durable. Según los requerimientos de uniformidad del acabado del concreto, se hace más necesario el empleo de concreto de revestimiento estructural con dovelas prefabricadas, pues son consideradas estéticamente superiores. Aunque implica el uso de equipos nuevos en gran escala, el costo se compensa con la economía, dependiendo de la longitud del proyecto. Este método de construcción demanda formaletas anulares masivas y equipos para la fabricación de concreto, compactación y movilización de formaletas. Además, el revestimiento definitivo convencional requiere alta energía de compactación debido a su espesor, y el acceso es complicado, por lo que el empleo de vibradores de formaleta es imprescindible. Sin embargo, su efectividad depende de la profundidad y por tanto se requiere de un trabajo intenso y desgaste significativo del equipo. Sin lograr las especificaciones máximas de uniformidad, el concreto lanzado es apropiado para el revestimiento final. Generalmente, antes del montaje de la membrana impermeabilizante, la superficie del concreto lanzado se empareja con una mezcla más 72 fina, con lo que se mejoran las condiciones para la colocación de las membranas impermeabilizantes sin arrugas. 4.5.2 DESARROLLO DE REVESTIMIENTO Convencionalmente, los túneles construidos con concreto lanzado se han basado en un soporte de concreto inicial que estabiliza la excavación y contiene a corto y mediano plazo las cargas. Cuando este soporte ha estabilizado por completo las cargas, se funde una capa de concreto que contiene las cargas a largo plazo, proporciona durabilidad y estanqueidad, ya sea por el uso de una membrana a prueba de agua entre los soportes y el revestimiento, o por la utilización de acero de refuerzo. Esto se conoce como sistema de doble capa. Desde la década de los noventa, la tecnología de lanzado de concreto ha mejorado notoriamente en términos de mezclas y métodos de aplicación, en especial con el proceso de mezcla húmeda para dar un rendimiento duradero y un concreto de altas especificaciones. Hoy, el concreto lanzado permite un revestimiento más económico con sistema monocapa que permite soportar y revestir los túneles en una sola pasada, brindando una estructura resistente, durable e impermeable, con una superficie que logra un acabado similar, si no igual, que la del concreto fundido. El principio del método de fortificación de túneles definido por Knut Garshol (1997) como “single shell sprayed concrete lining“(revestimiento de concreto lanzado mediante sistema monocapa) es el de usar el concreto lanzado tanto para el sostenimiento primario como para revestimiento definitivo. Como alternativa a las estructuras de concreto fundidas in situ o a las secciones prefabricadas puestas sobre el soporte temporal mediante concreto lanzado de alta calidad, se aprovecha de las bondades del mismo, haciendo trabajar esta capa, considerada “de sacrificio”, junto con otra capa de concreto como revestimiento permanente. El revestimiento en concreto lanzado se trabaja con espesores de 50 a 250 milímetros, combinado con pernos de anclaje inyectados con concreto y protegidos de la corrosión. La esencia del método de revestimiento del túnel de un solo paso (SPTL), es la de trabajar en conjunto con el soporte en concreto lanzado, con el fin de mejorar el material, aumentar el rendimiento y facilitar el proceso de construcción. Esto le perite a la 73 primera capa de concreto lanzado ser considerado como un elemento permanente de carácter estructural que cumpla con todos los requerimientos en su vida útil. 4.5.3 CAPACIDAD DE AUTOSOPORTE De acuerdo con Bienawski, un macizo rocoso tiene capacidad de autosoporte, aunque variada. Durante la excavación existe un lapso de tiempo (stand-up time) donde el macizo rocoso no representa una carga muerta (fig. #). Al diseñar el soporte se debe tener en cuenta esta capacidad. La consolidación de la roca en muchos casos es necesaria para asegurar ciertas características/capacidades específicas propias de un material natural. En definitiva, el macizo rocoso no es un material homogéneo, pero no se debe descalificar su capacidad autosoportante. Figura 22. Lapsos de tiempo vs. abertura del túnel 74 4.5.4 OPCIONES DEL SISTEMA MONOCAPA La construcción de túneles requiere de un soporte primario que sirve, temporalmente, como fortificación de la roca y mantiene unas condiciones de trabajo seguras durante la construcción. Típicamente, este soporte consiste en pernos de anclaje combinados con concreto lanzado. En diversos proyectos alrededor del mundo, se ha convertido en una práctica común que este soporte inicial constituya una parte del soporte permanente (Melby, 2001). Esto solo puede ser puesto en práctica si las medidas de reforzamiento usadas en el soporte primario se ajustan a los requisitos técnicos del soporte definitivo. En la actualidad existe la tecnología para fabricar concreto que desarrolle resistencias tempranas que permiten fortificar un túnel al cabo de unas horas. Dos sistemas generales pueden considerarse como sistemas monocapa. El primer método de aplicación es para túneles de diámetro pequeño o túneles construidos en condiciones estables –suelo seco–. El segundo es un túnel de dos capas, como se muestra en la figura #, donde la primera capa de concreto lanzado asegura estabilidad, mientras la segunda (actuando monolíticamente con la primera) mejora la durabilidad y estanqueidad. Este método es necesario en túneles de diámetro considerable y con múltiples juntas de construcción en la primera capa, y para los túneles construidos por debajo del nivel freático. Para ambos sistemas, la reducción de la cantidad de acero de refuerzo es crucial, bien sea por el uso de fibra de acero o por la optimización del perfil y espesor del revestimiento del túnel (Melbye, 2001). En todos los casos, el énfasis debe estar en el proceso de construcción, donde la simplicidad es la clave para el éxito, sobre todo con un método que depende del rendimiento del equipo de construcción (Proenca, 1999). 75 Figura 23. Esquema de un túnel revestido con mono-capa y pernos radiales, sección transversal y longitudinal (Papworth, F 2000). 76 La figura anterior ilustra el sistema monocapa y sugiere dónde se debe prestar atención en el diseño para cada capa. En cuanto al momento de instalación de la segunda capa, este debe ser cuando la primera ha sido estabilizada y no exista un impacto negativo en la construcción de la primera capa. En algunos casos, es prudente para la aplicación de la segunda capa construir por completo la longitud total del túnel (Garshol, K. 1997). 4.5.5 GEOMETRÍA El agrietamiento en el revestimiento es uno de los problemas que requiere mayor atención, pues allí es donde el diseño geométrico juega un papel importante. Para evitar esto, el diseño debe asegurar que el eje del túnel sea simétrico, con el fin de evitar presiones y esfuerzos desiguales en la sección del túnel. Esto asegura que los niveles de esfuerzo en el concreto se mantengan cerca al promedio de la capacidad de carga estimada. La geometría del túnel es vital para reducir los efectos adversos de los momentos de flexión, específicamente se debe tender a una geometría circular en la corona del túnel. 4.5.6 REFUERZO DEL REVESTIMIENTO Si bien la ITA (Asociación Internacional de Túneles), y la mayoría de especialistas en las aplicaciones prácticas, ha documentado y demostrado en varias investigaciones, que en el soporte de roca con concreto lanzado el refuerzo con fibra puede reemplazar el uso de malla electrosoldada. Al respecto, se enunciaran y explicarán los distintos tipos de refuerzo adicionales a las fibras. 4.5.6.1 BARRAS DE ACERO Y MALLA ELECTROSOLDADA De acuerdo con la experiencia, el concreto lanzado que tiene acero de refuerzo de gran diámetro, grandes vigas y traslapos excesivos en el refuerzo, tienden a presentar problemas de filtración de agua. Por tanto, se recalca en minimizar la cantidad de acero de refuerzo con (Stefanussen, W. 2000): Optimizar la sección transversal del túnel para reducir los momentos flectores. Aumentar el espesor del revestimiento del túnel para mantener la línea de empuje en el tercio medio de la sección de concreto. En donde sea posible, usar fibras de refuerzo. 77 4.5.6.2 USO DE FIBRAS METÁLICAS El refuerzo convencional en el concreto lanzado busca aumentar la capacidad de la estructura a resistir tensión, pero el refuerzo con barras o malla puede provocar desigualdad en la estructura (Papworth, F 2002): La necesidad de ciertos espesores para cubrir el refuerzo hace necesario lanzar varias capas donde no ha habido buena adherencia entre ellas. La corrosión del acero puede generar desprendimiento y agrietamiento considerables debido a la expansión volumétrica del acero de refuerzo. Las grietas producidas por el refuerzo convencional son de menor cuantía pero de mayor espesor que las de la fibra reforzada, lo cual disminuye la estanquidad y durabilidad. El refuerzo con fibras de acero ha sido usado con éxito en túneles con concreto lanzado, con el fin de reducir las fisuras hasta un ancho de 0.2 milímetros. Una de sus ventajas con respecto a los sistemas de refuerzo normal, es la distribución aleatoria de las fibras en la estructura, que distribuye de la misma forma las cargas de tensión y produce microfisuras de baja profundidad y menor impacto. Las fibras de acero convierten al concreto de un material frágil a uno muy dúctil, dándole al revestimiento una capacidad de carga superior y un agrietamiento a más largo plazo, gracias a la redistribución de las cargas, que da como resultado el aumento de la seguridad en la fase de construcción. 4.5.6.3 USO DE FIBRAS SINTÉTICAS En los últimos años (Bernard, S. 2004), el empleo de fibras de polipropileno se ha extendido fundamentalmente para mejorar las propiedades del concreto en cuanto a fisuración por retracción plástica y comportamiento frente al fuego. A pesar de que este tipo de fibras no tiene carácter estructural, sí controla la propagación de microfisuras. La tendencia actual propende por el uso de fibras sintéticas (poliméricas) con capacidad estructural que reemplazan las metálicas, lo cual permite tenerlas en cuenta para estructuras; además tiene otras ventajas como: Menor dosificación en kilos de fibra por m³ de concreto Disminución en el desgaste de bombas, mangueras, etc. 78 Menores riesgos en su manipulación. No se oxidan ni degradan. Menor costo por m³ de concreto. Su relación de densidad con respecto a las metálicas es de 8.5/1 que permite incorporar el mismo número de fibras con un menor peso. En cuanto a construcción, brinda ventajas en la manipulación y adición de las fibras, bajo riesgo de cortes, aumento de la seguridad e higiene para los operarios. El concreto tiene un pH entre 10 y 12, que asegura que no se oxide la fibra metálica. Pero la oxidación de las fibras puede originarse en el proceso de almacenamiento y distribución, posible carbonatación del concreto, que provoca una disminución del pH y una vía de ataque para cualquier fibra metálica, o por la entrada de agua y aire a través de los capilares y/o las microfisuras. Otro punto favorable de las fibras sintéticas es que hay unos requerimientos de revestimiento, a fin de garantizar la durabilidad a lo largo de la vida útil del acero de refuerzo, que en el caso de las fibras metálicas no es posible cumplir por la distribución aleatoria de las mismas. Las fibras sintéticas no presentan problemas de oxidación y son más estables químicamente frente a todos los tipos de ataque. Las fibras sintéticas, sin duda alguna, son más efectivas y durables a lo largo de su vida útil. Conforme a un estudio del ingeniero Stefan Bernard en la Universidad Sídney, la capacidad de absorción de energía de las fibras sintéticas es bastante mayor que la de las metálicas. Luego de un año de estudio, las metálicas perdieron casi la mitad de su capacidad, mientras que las sintéticas conservaban intacta su capacidad. 4.5.7 ADHERENCIA Con el fin de asegurar una estructura monolítica, la adherencia entre capas de concreto lanzado debe formar un anclaje y resistente a las fricciones. La resistencia a los esfuerzos de tensión y corte depende de la primera capa, que debe tener una superficie rugosa que permita la adherencia de una segunda. Al formarse un anclaje entre las capas, debe evitarse al máximo ubicar el refuerzo entre las dos capas, pues se constituye en una entrada directa para el agua, que afecta notoriamente la durabilidad. En la primera capa se debe asegurar: 79 Eliminar cualquier sección dañada, antes de aplicar la otra capa. Lavar con agua y aire a presión la capa existente, con la finalidad de quitar cualquier contaminación, incluidas las membranas de curado. Para esto se recomienda emplear el mismo equipo de proyección de concreto. Hidrolavar (> 100 bares), y si es necesario, lavar con detergente. La superficie debe estar húmeda (no saturada) antes de aplicar la siguiente capa. 4.5.8 DISEÑO DEL REVESTIMIENTO EN CONCRETO LANZADO El soporte en este método está hecho con una capa de concreto lanzado de un espesor considerable, capaz de contribuir a la estabilidad total de la excavación. El concreto puede ser o no reforzado con fibras. Esta estructura se refuerza con pernos o con arcos de acero, que brindan un efecto directo sobre el rendimiento mecánico de la misma. El espesor mínimo del soporte está definido por las condiciones de construcción (como el perfil de excavación, más o menos irregular, o dependiendo de las condiciones del sustrato y el sistema de excavación), con el objetivo de garantizar, como mínimo, el espesor teórico de diseño. Las dimensiones del revestimiento también forman parte de la función del tamaño de la excavación y el avance del proceso constructivo. El objetivo principal del revestimiento, con carácter estructural, es el de garantizar la estabilidad general de la excavación completa. El papel del soporte inicial en concreto lanzado es el de limitar la convergencia de la excavación, como también el de evitar una relajación excesiva del suelo, el cual podría reducir su resistencia y por lo tanto limitar su contribución a la estabilidad de la excavación. De igual manera permite limitar las deformaciones de la superficie, lo cual es importante cuando la construcción se realiza en una zona urbana, en bajo el agua, o más general, cuando la excavación se lleva a cabo en inmediaciones de estructuras sensibles a los asentamiento (Bascoulergue, C, et al. (2000)). 4.5.8.1 DISEÑO El diseño del revestimiento en concreto lanzado está dividido en dos: El impacto de la excavación, basado en el desplazamiento y análisis de estabilidad a corto y mediano plazo. En la verificación de la resistencia del revestimiento a largo plazo. 80 Sin embargo, cada uno depende de diferentes métodos de análisis y propiedades de los materiales. Desplazamiento basado en el análisis de estabilidad El mayor problema al momento de determinar la deformación es que ésta no depende de un solo valor o parámetro (edad y carga del revestimiento). De hecho, la respuesta del revestimiento está determinada por la evolución de la carga y el proceso de fraguado, seguido de las deformaciones y las propiedades de fluencia del concreto. En efecto, la evaluación de la rigidez del concreto es complicada, debido a que el concreto lanzado es aplicado en capas sucesivas. A hoy, son pocos los trabajos realizados al respecto hasta la fecha. Es por esto que se propone utilizar el método de Pöttler (1990), que de manera simple permite analizar las especificaciones de los sistemas de soporte del concreto lanzado. Para la excavación y aplicación del concreto lanzado, hasta que la distancia desde el frente sea 2 a 3 veces el diámetro de la excavación, se deberá adoptar un módulo ficticio para los cálculos, sin importar la composición del concreto lanzado. Este módulo tendrá un valor de 7.000 a 15.000 MPa, un valor de 7.000 MPa es el más apropiado y conservador para los casos de avance rápido de la excavación. Cuando la construcción se lleva a cabo en una fase en que el concreto lanzado ha endurecido, se usarán fórmulas convencionales para el cálculo instantáneo o a largo plazo del módulo de deformación. Cabe recordar, que el valor del módulo se selecciona de acuerdo con el tipo del cálculo. Por ejemplo, para un túnel en tierra, con posibles asentamientos, se debe tomar un módulo más bajo. Esto ayuda determinar la máxima carga soportada por el sistema de concreto lanzado. Se hace necesario recalcar que la carga transferida en la fase inicial (antes de tres días) puede inducir fluencia en el concreto. En el caso de reforzar con arcos de acero, el espesor y módulo combinado de la estructura pueden ajustarse, introduciendo valores equivalentes donde la contribución de los dos componentes son proporcionales a su respectiva área e inercia. 81 Es importante asegurar la continuidad del revestimiento en obra, sobre todo en zonas donde el lanzado se interrumpe, o en la intersección de la solera y la bóveda. Hay que tener en cuenta que, debido al método de aplicación y al modo de transferencia de cargas, el concreto lanzado tiene cierta habilidad para ajustarse a las cargas. Específicamente, a los momentos de flexión, capaz de exceder la capacidad de flexión del sistema, lo cual conduce a la formación de grietas. Calcular el esfuerzo en el soporte asumiendo un comportamiento elástico sin fisuras. Verificación de la resistencia del revestimiento La verificación de la resistencia consiste en evaluar si las secciones de concreto lanzado son capaces de soportar los esfuerzos a los que serán sometidas a largo plazo. Al respecto, la metodología propuesta es la siguiente: Para la distancia, desde el frente de excavación hasta la entrada al túnel de dos a tres veces el diámetro del túnel, se debe tener en cuenta la resistencia del concreto a dos veces el diámetro, partiendo del frente de excavación. Cuando la excavación supera esta distancia, se recomienda evaluar la resistencia característica, pues la estabilidad de la sección debe ser verificada una vez el concreto lanzado ha fraguado. Para las secciones que incluyen arcos metálicos, las cargas obtenidas de los cálculos deben ser redistribuidas entre los arcos y el concreto lanzado. Una vez se realiza la distribución, se hace necesario evaluar cada elemento por aparte, mediante cualquiera de los métodos actuales para los arcos y el concreto. La distribución de cargas entre los dos elementos se obtiene mediante alguna de las siguientes aproximaciones: o Distribución de las cargas y momentos flectores proporcionales al espesor e inercia. o Se analiza como una estructura compuesta homogénea sometida a cargas axiales y momentos flectores, teniendo en cuenta la resistencia a la tensión que aporta la viga. 82 4.5.9 RECOMENDACIONES DE CONSTRUCCIÓN 4.5.9.1 REQUERIMIENTOS DE APLICACIÓN Par obtener un concreto durable y asegurar que las propiedades del material satisfagan los requerimientos del diseñador, el proceso de aplicación tiene que cumplir los siguientes criterios (Austrian Concrete Society, 1999): El concreto a utilizar sea de alto desempeño con un mínimo de variaciones en su calidad. Durante el proceso, debe hacerse un control de la relación agua/cemento, con una relación predefinida de 0.4 a 0.5, para asegurar una reducción en agrietamiento, brindar una resistencia alta a la compresión y reducir la permeabilidad significativamente. Asegurar, en la boquilla, una mezcla homogénea que no presente problemas de pulsación o bloqueos de la bomba. El rebote de los agregados debe ser inferior al 10%, asegurando la construcción del revestimiento con un material bien gradado. Esto es crítico con el fin de evitar el desgaste de las láminas, sombras detrás del acero de refuerzo, microestructura pobre y fisuras por retracción. El rebote de la fibra de acero deberá ser inferior al 20%, para así ofrecer un efectivo control frente a las fisuras y buen desempeño estructural. La unidad de dosificación automática y exacta del acelerante debe funcionar de manera sincronizada con la bomba de concreto. Las bombas deben ser capaces de lanzar acelerantes libres de álcalis. Capas de hasta 150 milímetros de espesor deben ser lanzadas en una sola pasada, lo cual redunda en estructuras más homogéneas. Controlar los niveles de polvo para que el lanzador tenga buena visibilidad y controle mejor el lanzado. Durante el lanzado es necesario tener un suministro extra de concreto como contingencia. En caso de suelo blando y presencia de agua, este debe ser ajustado al sistema, para así brindar concreto de fraguado inmediato. 83 El método de aplicación del concreto lanzado debe permitir el curado correcto, de modo que no influya negativamente en la adherencia entre las siguientes capas. Para lograr el cumplimiento de los requisitos anteriores, se recomienda el uso del sistema de lanzado por vía húmeda para el revestimiento definitivo, ya que es el único método actual que asegura calidad, sobre todo para el control de la relación agua/cemento, vital para la durabilidad y resistencia a largo plazo del concreto. 4.5.9.2 GUÍA PARA LA SELECCIÓN DE LAS TÉCNICAS DE LANZADO De acuerdo con las especificaciones europeas para el concreto lanzado, es importante que solo el sistema de lanzado por vía húmeda sea empleado en la construcción del revestimiento definitivo de túneles. Este debe asegurar altos niveles de seguridad, calidad y productividad. 4.5.9.3 REDUCCIÓN DEL REBOTE, AUMENTO DE LA CALIDAD Una de las principales causas de un concreto lanzado de baja calidad y el aumento de costos, es la cantidad de material de rebote producido durante el lanzado. La figura # muestra los principales factores que afectan el porcentaje de rebote durante el proceso de lanzado. El gráfico muestra valores conservadores para la mezcla por vía húmeda, con agregados bien gradados y una relación agua/cemento ideal. 84 Figura 24. Efectos de los parámetros del lanzado en el rebote y la calidad del concreto. Melbye, T. (2000). La cantidad de rebote depende de los siguientes factores: El ángulo y distancia de la boquilla con respecto al sustrato. Dosis del acelerante. Zona de aplicación en el túnel. Como se muestra en la figura #, el ángulo de lanzado es el factor más importante en el porcentaje de rebote. La boquilla deberá estar siempre ubicada a un ángulo de 90º con respecto al sustrato, para alcanzar una mejor compactación y orientación de las fibras. Cuando se realiza un lanzado manual, el ángulo de 90º no siempre es favorable para el operario, en vista de que el material le rebota directamente. Incluso con ángulos menores a 70º se tiene rebote excesivo y valores muy bajos de compactación del concreto. 85 Figura 25. Angulo de lanzado. Archivo personal. La distancia entre la boquilla y el sustrato deber estar entre 1 y 1.5 metros. Si la boquilla se encuentra más cerca el concreto lanzado, desprenderá el material más fresco. Si la distancia se reduce, la velocidad de salida debe ser menor y el movimiento más rápido. Por otra parte, si la distancia es mayor a 2 metros, la energía de compactación se reduce y el rebote aumenta. En la aplicación manual, se tiende a variar la cantidad de aire para mantener la distancia entre la boquilla y el sustrato, sin embargo, esto tiene efectos perjudiciales para la calidad del concreto lanzado. Otro factor importante que se muestra en la gráfica (Figura #. Efectos de los parámetros del lanzado en el rebote y la calidad del concreto. Melbye, T., 2000) es la dosificación del acelerante. Muy poco, no permite el desarrollo adecuado de resistencia, que se refleja en el desprendimiento de material en el segundo lanzado. Por definición, esto no es rebote pero sí debe ser evitado al máximo. Por otra parte, si la dosis es muy alta, por ejemplo por encima del 10%, un fraguado instantáneo crea una superficie que le permite a los agregados grandes rebotar, lo cual conlleva a que evita el fraguado completo de la estructura y reduce la resistencia y durabilidad del revestimiento en concreto. Otros factores que influyen en el porcentaje de rebote y en la calidad, se enumeran a continuación: 86 Acero de refuerzo El acero de refuerzo debe estar asegurado al sustrato antes de ser lanzado el concreto. Una malla suelta aumenta el rebote de manera considerable y provoca “sombras” y reduce la capacidad estructural del revestimiento a largo plazo. De ser posible, el uso de fibras aumenta la productividad, disminuye el rebote, aumenta las propiedades estructurales y reduce los costos del proyecto. Volumen y presión de aire El volumen de aire y la presión son las establecidas por el fabricante del equipo. Las boquillas deben ser verificadas por desgaste, ya que afecta negativamente la velocidad de salida del hormigón proyectado. Calidad del sustrato En túneles de roca dura, la cantidad de material de rebote se incrementa con respecto a los túneles en suelo blando. En algunos casos, debido a la difícil superficie de contacto y a las irregularidades, se aconsejable aplicar una capa de concreto que permita aumentar la adherencia de la capa de soporte. 4.5.10 RELACIÓN COSTO-BENEFICIO El concreto lanzado como revestimiento definitivo ofrece múltiples ventajas y ahorro en costos y plazos comparado con el sistema convencional, ya que este considera la primera capa de concreto lanzado como soporte temporal. Adicional a lo anterior, presenta una reducción en los volúmenes de material excavado y de soporte, reflejados en los plazos de construcción. El uso de esta tecnología permite lograr ahorros de entre el 20 y 40% con respecto al sistema de doble capa, dependiendo de la sección del túnel y longitud, así como de las condiciones de la roca. El concreto lanzado no requiere de formaleta y su aplicación es casi inmediata después de llegar el camión al frente de obra, lo que en muchos casos se ve reflejado en el cronograma de obra. 87 4.5.11 CURADO Según el comité de la ACI (Specification for Shotcrete, 2000), el concreto lanzado, al igual que el convencional, debe ser curado para asegurar su resistencia y durabilidad a largo plazo. Esto es particularmente crítico en secciones delgadas, superficies rugosas y bajas relaciones agua/cemento. La mejor forma de curar al hormigón es mantenerlo continuamente húmedo durante siete días con una temperatura mayor a 5ºC. Cuando las condiciones de secado del hormigón no son severas, también es posible utilizar membranas de curado. El curado natural se permite cuando la humedad relativa está por encima del 95% (IBID). Los túneles, y en general las obras subterráneas, presentan algunas de las peores condiciones para el curado del concreto debido a la ventilación que continuamente introduce aire caliente y frío dentro de este. La creencia común lleva a pensar que las condiciones internas de un túnel son óptimas con alta humedad, sin viento ni exposición al sol. Pero es todo lo contrario. El curado es básico y uno de los más importantes trabajos en el concreto lanzado, por su alto contenido de cemento y agua y las consecuentes fisuras del concreto aplicado. Otra razón, son los sistemas de ventilación del túnel, que secan rápidamente la mezcla. Por consiguiente, el concreto lanzado debe ser siempre curado adecuadamente con un agente especial. Con el empleo de un agente de curado, se debe ser muy cuidadoso con los procesos de limpieza del sustrato previo al lanzado de las siguientes capas. Esta tarea debe ser llevada a cabo con aire y agua a presión. Otro problema con los agentes de curado es que se deben aplicar los más rápido posible justo después del lanzado. Para asegurar un correcto curado, el agente debe ser aplicado entre 15 y 20 minutos luego del lanzado. Debido al uso de acelerantes, el proceso de hidratación del concreto empieza en un tiempo muy corto (entre 5 y 15 minutos). La aplicación de un agente de curado implica dos fases: la aplicación y eliminación del agente de curado de la capa de concreto intermedia, en el caso de un sistema multicapa. 88 4.5.12 CONTROL DE CALIDAD Dentro de los pliegos de condiciones, por lo general, el contratante especifica un plan de calidad tanto de la parte de ensayos como del aseguramiento de calidad general. En este son incluidos todos los parámetros relevantes de confiabilidad y calidad de forma lógica y práctica. Todo lo anterior, buscando un trabajo eficiente en costos y plazos. La siguiente tabla muestra los distintos procesos y su modo de evaluación: Proceso Etapa componente agregados producción de concreto Transporte Parámetro De Prueba humedad curva de gradación composición de partículas planta de mezcla equipos de pesaje producción de concreto consistencia en la producción inspección del concreto fresco contenido de agua densidad del concreto fresco temp. concreto y aire consistencia contenido de aire equipo de mantenimiento mantenimiento equipos para el lanzado del concreto mantenimiento partes de desgaste aire/concreto dosificación del acelerantes consistencia resistencia muy temprana aplicación concreto lanzado resistencia temprana resistencia final durabilidad Frecuencia cada bachada periódicamente periódicamente según plan del mantenimiento según plan del mantenimiento periódicamente según plan del mantenimiento según plan del mantenimiento diariamente según velocidad de colocación según velocidad de colocación según velocidad de colocación según velocidad de colocación Tabla 11.Plana de calidad sobre el concreto 89 5. ENSAYOS DE LABORATORIO 5.1 OBJETIVOS La realización de los ensayos está enfocada a verificar el comportamiento del concreto lanzado con distintas proporciones de fibra sintética y aditivos. Se enfoca el análisis del comportamiento bajo el concepto de alta durabilidad. En la actualidad, la gran mayoría de los túneles existentes están revestidos con concreto convencional. En otros casos, se ha hecho uso de concreto reforzado con acero a fin de aumentar la vida útil y obtener una mayor durabilidad. Algunos diseñadores de túneles viales se han inclinado por el uso del concreto reforzado como un factor de seguridad adicional y aumento de la durabilidad, aunque el anillo de concreto no siempre es un requerimiento estructural ni está integrado al soporte del túnel. Se busca remplazar el uso de concreto convencional o reforzado con acero por concreto lanzado con fibras sintéticas. Dentro de las variables a tener en cuenta para dicha evaluación se tiene en cuenta capacidad estructural, de resistencia a esfuerzos de flexión y los efectos de las fibras en la resistencia del concreto. Teniendo en cuenta los aspectos antes mencionados, se realizaron pruebas en el Túnel de Daza (Pasto, Nariño) para analizar el comportamiento del concreto lanzado bajo condiciones reales, tanto de colocación como ambientales ya que este túnel emplea el concreto lanzado como revestimiento definitivo. Todas dirigidas al uso del concreto lanzado como revestimiento definitivo. Las muestras de paneles y vigas fueron elaboradas en el frente del túnel con los mismos equipos y operarios del túnel. Todo lo anterior a fin de lograr el objetivo de analizar el comportamiento real del concreto lanzado como revestimiento definitivo en túneles viales. 5.2 DESCRIPCIÓN Y PROCEDIMIENTO 5.2.1 Absorción de energía El ensayo de absorción de energía de la EFNRAC tiene como objetivo principal valorar la tenacidad flexional expresada como energía absorbida para una cierta deflexión. Se emplea un panel cuadrado de 600X600X100 mm apoyado en sus cuatro lados y cargado en el centro con una superficie de contacto de 100X100 mm. Durante el ensayo se registra la 90 curva de carga-deformación hasta alcanzar una deformación central de 25 mm. Por cualquier método, se obtiene el área bajo la curva y la gráfica de energía-deformación. La tenacidad se especifica como una determinada energía absorbida para un desplazamiento central dado (EFNARC, 1999). Fotografías 1 y 2. Maquina universal de ensayo, Archivo personal Fotografías 3 y 4 Ensayos a flexión simple. Izq.: Concreto lanzado con 5 kg de fibra. Der.: Concreto convencional con 5 kg de fibra., Archivo personal Para la elaboración de los paneles rectangulares, se fabricaron moldes en madera de 600X600X100 mm de acuerdo a lo requerido por la norma EFNARC. Previo al lanzado, los moldes fueron ubicados en el frente de excavación en un ángulo de 45º. El vaciado se realizó en tres tandas, vaciando una por cada porcentaje de fibra, una con y otra sin aditivo. Para el desarrollo de la tesis se fabricaron las siguientes muestras: 91 Elemento M1 M2 M3 M4 M5 M6 Proporción fibra Tipo de Adiciones (kg) Concreto 5,00 Convencional No 5,00 Lanzado No 5,00 Lanzado MEYCO SA 161 6,00 Convencional No 6,00 Lanzado No 6,00 Lanzado MEYCO SA 161 Tabla12. Muestras fabricadas La fibra sintética estructural empleada en la fabricación de las muestras fue la Barchip ¨Shogun¨, la se agrega al concreto lanzado para remplazar el uso de mallas y fibras de acero. Su dosificación va de entre 3 y 20 kg/m3. Entre sus principales características están: resistencia a la tensión es de 550 MPa y un módulo de Young de 6Gpa. Dentro de sus beneficios encontramos la reducción de costos, capacidad de reforzar igual que el acero, mínimo desgaste en mangueras y bomba, cero corrosión, larga durabilidad, mejor manejabilidad comparada con las fibras de acero. Se dosifica en la boquilla El aditivo acelerante empleado fue el MEYCO SA161 de la marca BASF, es un acelerante líquido, libre de álcali, de alto desempeño para el concreto lanzado. Su dosificación puede variar según los tiempos de fraguado deseados, sin embargo, se recomienda entre el 3% y el 10% del peso del cemento. Sobredosificar en porcentajes mayores al 10% puede generar una resistencia final menor. Este procedimiento de realizó con un equipo de concreto lanzado (Fotografía 5.) por vía húmeda siguiendo las indicaciones del norma en cuánto a distancia y ángulo. Esta metodología se empleó a fin de cumplir, de la forma más exacta, la metodología usada en obra y cubrir toda la extensión de la formaleta. 92 Fotografía 5 equipo de lanzado Túnel Daza, Archivo personal. Al final, se colocaron en tanques con agua a fin de lograr el curado requerido hasta el día anterior al ensayo (Fotografía 6). Fotografía 6. Paneles en tanque de curado, Archivo personal. Finalizado el periodo de curado, se trasladaron al laboratorio de pruebas de la Universidad Javeriana donde se midieron y mantuvieron húmedos tres días antes de la prueba (Fotografía 6) . Una vez listos los especímenes se procedieron a ubicar sobre la maquina universal. La disposición de los paneles sobre la maquina se realizó de forma tal que el pistón de carga y deformimetro quedaron ubicados en el punto central del panel, todo a fin de cumplir los requerimientos de la norma (Fotografía 7). 93 Fotografía 7. Ubicación del punto central de aplicación de la fuerza, Archivo personal. El ensayo consistió en aplicar, de forma constante, carga al centro del panel con un pistón cuadrado de 100 mm. La velocidad del pistón se ajustó a lo indicado por la norma ASTM C 1550. A medida que se aplica la carga, se iban registrando en tiempo real los datos de fuerza aplicada y deflexión del punto central. El ensayo se detiene una vez se superan los 25 mm de deformación o colapsa el panel. Luego de finalizar el ensayo, se retiró y fotografió el panel. El objetivo del ensayo fue determinar, para cada testigo, los datos de fuerza vs. Deformación durante la ejecución del ensayo. Con estos datos, se construyó la curva especificada en el capítulo 10.4 de la norma de EFNARC, calculando la integral de dicha curva (el área bajo la misma) se obtuvo la energía total (expresada en Joules) absorbida por cada panel. Las gráficas muestran el punto de falla del concreto y el inicio del trabajo de la fibra como elemento resistente a los esfuerzos de tensión y aumento en la adherencia con la mezcla de concreto. 94 Tomando el punto máximo como inicio, la integral de la curva da como resultado la energía absorbida por las fibras sintéticas presentes en la masa de concreto. Figura 21 grafica ejemplo de la curva carga-deformación con acero y fibra de refuerzo, EFNARC 5.2.2 Resistencia flexural El ensayo de resistencia flexural de la EFNARC es una medida de la resistencia a la flexión del concreto. Se mide utilizando vigas con dimensiones de 75x125x600 mm, obtenidas de paneles revestidos con concreto lanzado. El ensayo se realiza con cargas en los tercios de la luz libre de 450 mm de longitud. Se elabora una gráfica de fuerza-deformación donde en la parte inicial se tiene un comportamiento lineal, en esta parte se traza una tangente paralela a 0,1 mm de la deflexión. La resistencia a flexión se obtiene a partir de la primera carga pico (P0,1) 95 Para la elaboración de las vigas rectangulares, se elaboraron formaletas en madera de 75 x 125 x 600 mm. Antes del lanzado, fueron ubicados de la misma forma y al tiempo con los paneles de concreto. Cumpliendo los requerimientos de la norma EFNARC en el apéndice 10.3. De la misma forma que los paneles rectangulares, el vaciado se realizó en tres tandas, vaciando una por cada porcentaje de fibra, una con aditivo y la otra sin. Este procedimiento se realizó con un equipo de concreto lanzado por vía húmeda siguiendo las indicaciones de la norma en cuánto a distancia y ángulo. Esta metodología se empleó a fin de cumplir, de la forma más exacta, la metodología usada en obra y cubrir toda la extensión de la formaleta. Concluido el tiempo de curado, se retiraron las vigas del tanque de curado. Los ensayos se realizaron siguiendo el apéndice 10.3 de la norma EFNARC. Figura 26. ejemplo de montaje para el ensayo de resistencia flexural con carga en el tercio medio, EFNARC 96 Fotografías 8 y 9. Maquina universal de ensayo, montaje para ensayo a flexión. Archivo personal Fotografías 10 y 11. Ensayos a flexión. Izq.: Concreto lanzado con 5 kg de fibra. Der.: Concreto convencional con 5 kg de fibra. Archivo personal La viga se ubica con la superficie rugosa hacia abajo, trabajando a tensión. El montaje se realiza sobre dos bases de acero con movimiento libre en sus apoyos. Se ubican los puntos de cargas a un tercio de la longitud de la viga, los deformimetros son ubicados y llevados a cero antes de la carga. Se inicia el proceso de carga con un registro en tiempo real de la deformación y la carga aplicada. Se lleva la viga hasta un valor de deformación de 4 mm, el proceso de carga depende de la deformación. Antes de una deformación de 0.5 mm se debe realizar el ensayo a una rata de 0.25 +/- 0.05 mm por minuto, una vez superado este umbral la velocidad se varia a 1.0 mm por minuto. 97 Fotografía 12. Ensayos a flexión. Concreto convencional con 6 kg de fibra. Archivo personal El objetivo de este ensayo es el de determinar las curvas de carga (ton) vs. deformación (mm) para caracterizar su capacidad de resistencia a las fuerzas de tensión. De estas curvas se obtuvo la fuerza residual promedio, en MPa, aportada por las fibras al interior de la mezcla de concreto. De acuerdo con la norma EFNARC, se verificaron las medidas de todas las vigas, la identificación de cada espécimen, condiciones de curado y edad de la muestra al momento del ensayo, rata de deformación, valores de carga-deformación incluyendo el primer pico de carga (P0.1) y cálculo de la resistencia flexural. 98 5.3 RESUMEN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS Conforme a los ensayos realizados para los paneles y vigas rectangulares, se obtienen las gráficas de energía absorbida en el primer caso y del esfuerzo residual en el segundo, para cada dosificación de fibra, aditivo y tipo de concreto. 5.3.1 Resultados de paneles rectangulares El resultado de cada panel ensayado se representa por la gráfica carga vs. deformación. El comportamiento del material en la mayoría de los casos es concordante con lo predicho por la norma EFNARC. Todas las gráficas presentan una primera zona linealmente pronunciada, aportada por el concreto, con un pico máximo de resistencia seguido, en su mayoría, seguido por una zona de picos y caídas producto del reacomodamiento y resistencia aportada por las fibras e inmediatamente por una caída y finalmente una zona de “fluencia” en donde la resistencia desciende paulatinamente a medida que se incrementa la deformación. 99 P1-Concreto convencional con 5 kg Convencional 5 kg 4.500 4.000 Fuerza (Ton) 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 0.500 0.000 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 Deformacion (mm) Curva Energia-Deformacion Convencional 5 kg 800 700 Energia (joules) 600 500 400 300 200 100 0 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 Deformacion (mm) 100 P2-Concreto lanzado con 5 kg de fibra sin aditivo Sin Aditivo 5 kg 5.000 4.500 4.000 Fuerza (Ton) 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 0.500 0.000 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 Deformacion (mm) Curva Energia-Deformacion SinAditivo 5 kg 600 Energia (joules) 500 400 300 200 100 0 0.0000 5.0000 10.0000 15.0000 20.0000 25.0000 30.0000 Deformacion (mm) 101 P3-Concreto lanzado con 5 kg de fibra y aditivo Aditivo 5 kg 6.0000 Fuerza (Ton) 5.0000 4.0000 3.0000 2.0000 1.0000 0.0000 0.0000 5.0000 10.0000 15.0000 20.0000 25.0000 Deformacion (mm) Curva Energia-Deformacion Aditivo 5 kg 900 800 700 Energia (joules) 600 500 400 300 200 100 0 0.0000 -100 5.0000 10.0000 15.0000 20.0000 Deformacion (mm) 25.0000 30.0000 102 P4-Concreto convencional con 6 kg de fibra Convencional 6 kg 5.000 4.500 4.000 Fuerza (Ton) 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 0.500 0.000 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 Deformacion (mm) Curva Energia-Deformacion Convencional 6 kg 600 Energia (joules) 500 400 300 200 100 0 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 Deformacion (mm) 103 P5-Concreto lanzado con 6 kg de fibra sin aditivo Sin Aditivo 6 kg 4.000 3.500 Fuerza (Ton) 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 0.500 0.000 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 Deformacion (mm) Curva Energia-Deformacion Sin Aditivo 6 kg 600 Energia (joules) 500 400 300 200 100 0 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 Deformacion (mm) 104 P6-Concreto lanzado con 6 kg de fibra con aditivo Aditivo 6 kg 6.0000 Fuerza (Ton) 5.0000 4.0000 3.0000 2.0000 1.0000 0.0000 0.0000 5.0000 10.0000 15.0000 20.0000 25.0000 Deformacion (mm) Curva Energia-Deformacion Aditivo 6 kg 600 Energia (joules) 500 400 300 200 100 0 0.0000 5.0000 10.0000 15.0000 20.0000 25.0000 30.0000 Deformacion (mm) Grafico comparativo de la capacidad de absorción de energía de los paneles, en azul se muestran los resultados de los paneles que tienen una proporción de fibra de 5 kg, mientras que en rojo los de 6 kg/m3. Se observa el comportamiento esperado de aumento de la 105 capacidad de absorción de energía entre los concretos convencionales (584,79 y 619,86) frente al concreto lanzado (801,6 y 892,11) ambos, respectivamente, con 5 y 6 kg/m3. Absorción de Energía (Joules) 900.00 800.00 700.00 600.00 500.00 400.00 300.00 200.00 100.00 0.00 Energía (Joules) Planta 5 kg 584.79 Sin aditivo 5 kg 701.42 Aditivo 5 kg 801.60 Planta 6 kg 619.84 Sin aditivo 6 kg 742.93 Aditivo 6 kg 892.11 En el caso de resistencia a la compresión el comportamiento es igual que en el caso anterior. Resistencia maxima 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 (ton) Convencional 5 kg 4.16 Lanzado Sin aditivo 5 kg 4.52 Lanzado Aditivo 5 kg 5.00 Convencional 6 kg 4.32 Lanzado Sin aditivo 6 kg 4.644 Lanzado Aditivo 6 kg 5.556 106 Grafico comparativo de absorción de energía del concreto convencional con las dos proporciones analizadas. Absorción de Energía Concreto Convencional (Joules) 630.00 619.84 620.00 610.00 600.00 590.00 584.79 580.00 570.00 560.00 Convencional 5 kg Convencional 6 kg Comparación de la capacidad de absorción de energía del concreto lanzado sin aditivo acelerante con las dos proporciones analizadas. Se evidencia un aumento de la resistencia con solo agregar 1 kilo más de fibra por m3. Absorción de Energía sin Aditivo (Joules) 750.00 742.93 740.00 730.00 720.00 710.00 701.42 700.00 690.00 680.00 Lanzado Sin aditivo 5 kg Lanzado Sin aditivo 6 kg 107 Capacidad de absorción de energía del concreto lanzado con aditivo acelerante con las dos proporciones analizadas. El aumento de resistencia entre cada una de las muestras es mayor comparado con el resultado anterior. Absorción de Energía con Aditivo (Joules) 892.11 900.00 880.00 860.00 840.00 820.00 801.60 800.00 780.00 760.00 740.00 Lanzado Sin aditivo 5 kg Lanzado Aditivo 6 kg Los siguientes gráficos muestran el comportamiento entre cada una de las tres muestras de cada proporción, los aumentos de resistencia son iguales en cada uno de los casos analizados. Existe correlación entre la cantidad de fibra y el sistema constructivo. 108 Absorción de Energía 5 kg (Joules) 900.00 y = 503.53e0.1577x R² = 0.9922 800.00 801.60 701.42 700.00 600.00 584.79 500.00 400.00 300.00 200.00 100.00 0.00 Planta 5 kg Sin aditivo 5 kg Aditivo 5 kg Absorción de Energía 6 kg (Joules) 1,000.00 892.11 900.00 800.00 700.00 y = 136.14x + 479.35 R² = 0.997 742.93 619.84 600.00 500.00 400.00 300.00 200.00 100.00 0.00 Convencional 6 kg Lanzado Sin aditivo 6 kg Lanzado Aditivo 6 kg 109 Modulo de Elasticidad vs. Absorción de energía 60,000.00 50,000.00 40,000.00 30,000.00 20,000.00 10,000.00 0.00 Planta Sin aditivo Aditivo Planta 584.79 Sin aditivo 701.42 Aditivo 801.60 39,799.03 44,219.45 55,675.00 Energía (Joules) Modulo de Elasticidad (kg/cm2) Tabla resumen de paneles de concreto Placa Energía (Joule) Max Carga (ton) Convencional 5 kg 584,8 4,16 Sin aditivo 5 kg 701,4 4,52 Módulo de Elasticidad (kg/cm2) 39.799 44.219 Aditivo 5 kg Convencional 6 kg Sin aditivo 6 kg Aditivo 6 kg 55.675 50.649 72.062 81.880 801,6 619,8 742,9 892,1 5,00 4,32 4,64 5,56 La siguiente tabla resume muestra la comparación en porcentaje del aumento de los valores de absorción de energía, máxima carga tolerada y módulo de elasticidad. El caso más evidente se presenta entre el concreto lanzado con aditivo y el convencional con 6 kg/m3 donde el módulo de elasticidad aumenta en un 61,66%. 110 5 kg/m3 Aditivo Convencional Sin aditivo convencional vs vs 6 kg/m3 Aditivo Convencional Sin aditivo convencional 5.3.2 vs vs Energía (Joule) Max Carga (ton) Módulo (kg/cm2) 37,07% 20,29% 39,89% 19,94% 8,75% 11,11% Energía (Joule) Max Carga (ton) Módulo (kg/cm2) 43,93% 28,61% 61,66% 19,86% 7,50% 42,28% de Elasticidad de Elasticidad Resultados de vigas rectangulares A continuación se presenta gráficos comparativos entre los distintos tipos de concreto y sus proporciones de fibra y aditivo acelerante, representando carga-deformación y resistencia flexural. V1-Concreto convencional con 5 kg de fibra Convencional 5 kg 700 600 Carga (kn) 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 Deformacion (mm) 111 Fotografías 13 y 14. Ensayos a flexión. Izq.: Concreto convencional con 5 kg de fibra por m 3 .Der.: desarrollo de la fisura durante el ensayo. Archivo personal La resistencia a flexión del hormigón convencional con fibras sintéticas alcanzo los 3,91 MPa, resultado más bajo de los ensayos realizados. Esto concuerda con el concepto de que el concreto convencional tiene una resistencia menor a esfuerzo de tensión comparado con el concreto lanzado. V2-Concreto lanzado con 5 kg de fibra sin aditivo Sin Aditivo 5 kg 700 600 Carga (kn) 500 400 300 200 100 0 0 -100 1 2 3 4 5 6 Deformacion (mm) 112 Fotografías 15 y 16. Ensayos a flexión. Izq.: Concreto lanzado con 5 kg de fibra por m 3 sin aditivo. Der.: desarrollo de la fisura durante el ensayo. Archivo personal Para el concreto lanzado con una proporción de 5 kg de fibra m 3 la resistencia a flexión fue de 3,97 MPa. Por lo tanto, se puede decir que el proceso mecánico de lanzado mecánico brinda mayor resistencia a los esfuerzos de flexión frente al concreto convencional, con un concreto de características y diseño igual. V3-Concreto lanzado con 5 kg de fibra y aditivo Aditivo 5 kg 900 800 700 Carga (kn) 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 Deformacion (mm) 113 Fotografías 17 y 18. Ensayos a flexión. Izq.: Concreto lanzado con 5 kg de fibra por m 3 con aditivo. Der.: fisura del concreto después del ensayo. Archivo personal La resistencia a flexión del hormigón con fibras sintéticas (5 kg/m3) alcanzó los 4,9 MPa, un aumento de algo menos a un mega pascal. Esto afirma el concepto inicial de la tesis en cuanto a las ventajas del uso del concreto lanzado con fibras, junto con el uso de acelerante brinda mejores características que el concreto convencional. Se confirma que las fibras sintéticas entran en carga luego de producirse una cierta deformación debido a su bajo módulo de elasticidad. V4-Concreto convencional con 6 kg de fibra Convencional 6 kg 900 800 700 Carga (kn) 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 Deformacion (mm) 114 V5-Concreto convencional con 6 kg de fibra sin aditivo Sin Aditivo 6 kg 1000 900 800 Carga (kn) 700 600 500 400 300 200 100 0 -100 0 1 2 3 Deformacion (mm) 4 5 6 4 5 6 V6-Concreto convencional con 6 kg de fibra y aditivo Aditivo 6 kg 1000 900 800 Carga (kn) 700 600 500 400 300 200 100 0 0 1 2 3 Deformacion (mm) 115 Fotografías 19 y 20. Ensayos a flexión. Concreto lanzado con acelerante y 6 kg de fibra por m3. Archivo personal La resistencia a flexión se obtuvo como una tensión elástica equivalente de tracción en la fibra inferior para la carga máxima. En el concreto con 6 kg de fibra por m3 este valor fue de 5,6 MPa. En los dos ensayos realizados las probetas no llegaron a la rotura después de alcanzar el valor máximo de carga, como se puede apreciar en la Figura #. Resistencia Flexural 5 kg (Mpa) 6 5.399780292 y = 0.7399x + 3.2162 R² = 0.9929 4.768115125 5 4 3.919977459 3 2 1 0 Planta 5 kg Sin aditivo 5 kg Aditivo 5 kg 116 Resistencia Flexural 6 kg (Mpa) 6 5.8 y = 0.3762x + 4.6208 R² = 0.9075 5.6 5.680111789 5.511933382 5.4 5.2 5 4.927684606 4.8 4.6 4.4 Planta 6 kg Viga Convencional 5 kg Sin aditivo 5 kg Aditivo 5 kg Convencional 6 kg Sin aditivo 6 kg Aditivo 6 kg Sin aditivo 6 kg Aditivo 6 kg Resistencia Flexural (Mpa) 3,919977459 4,768115125 5,399780292 4,927684606 5,511933382 5,680111789 Tomando como base los resultados experimentales de los ensayos realizados a los paneles y vigas de concreto para cada una de las combinaciones de fibra, aditivo y proceso constructivo. El concreto cumplió la resistencia exigida por la norma en cuanto a los valores mínimos requeridos de absorción de energía y resistencia flexural. 117 Requerimiento de absorción de energía expresado en Jules para una deformación de 25 mm, EFNARC El panel con mayor absorción de energía fue el panel con aditivo y 6 kg de fibra por m3, seguido por el panel con aditivo y 5 kg por m3. Las fallas en todos los paneles fueron en forma de cruz, tal como se esperaba. Todas las fallas en cruz evidencian una deformación uniforme de los elementos Con alta resistencia y una ruptura no abrupta. Las placas con más cantidad de fibra y aditivo de deformaron y absorbieron más energía, esto es de suma importancia para el uso de un revestimiento en un túnel. Ante eventos sísmicos o cargas inesperadas, el revestimiento en concreto lanzado presenta un mayor factor de seguridad al tener mayor deformación sin presentar algún desprendimiento en bloque y de manera explosiva. Todos los paneles reforzados con fibra no presentaron desprendimiento de material, permaneciendo unidos, un factor especialmente importante en los túneles viales. Se evidencia el papel importante de la fibra al “unir” la mezcla de concreto y previniendo la propagación de grietas, factor directamente relacionado con localidad y durabilidad del revestimiento del túnel. Adicionalmente, las fibras disminuyen los efectos de retracción de fraguado que tiene como consecuencia la reducción en la necesidad de mantenimiento, algo de un carácter muy importante en los túneles viales. Finalmente estas mejores características garantizan mayor durabilidad del concreto. Quedo evidenciado en el ensayo de los paneles que la absorción de energía que hace el concreto, hasta el momento de presentarse la primera fisura, es baja comparada con la energía que absorbe la fibra en el interior. 118 De la misma forma que en los paneles de concreto, la resistencia flexural en las vigas de concreto fue mayor al usar aditivo en conjunto con las fibras sintéticas. En todos los casos analizados puede observarse un incremento de resistencia a la flexión paralelo al incremento en la dosificación de fibra en el concreto. Los efectos del lanzado mecánico del concreto son evidentes en lo resultados ya que en los casos de la misma proporción de fibra, el concreto fundido convencionalmente, a pesar de tener fibra, no tuvo un comportamiento de mejores prestaciones, como si lo hizo el concreto lanzado. Queda evidenciado un comportamiento lineal común a todas las muestras entre el aporte del concreto y la dosificación de fibra, ya que como se mostró en los gráficos existe un mejoramiento de las características del concreto frente a esfuerzos de flexión. El mejor comportamiento se evidencio tanto en el desarrollo de fisuras en el ensayo, como en los resultados obtenidos en la viga con acelerante y 6 kg de fibra. Comportamiento esperado gracias al aumento de la resistencia brindada por el acelerante y a las características aportadas por las fibras. Las fibras son de gran utilidad para darle un comportamiento que permite altas deformaciones previas a la falla. Se apreció en las gráficas de falla de viguetas con refuerzo de fibras un comportamiento de “espectro sísmico”, con varios picos. Esto se explica gracias al comportamiento de las fibras que después de la falla principal, cuando alcanzo su resistencia máxima, el panel sigue resistiendo frente a la fractura ya que los grupos de fibras presentes dentro del espécimen no han fallado y brindan mayor deformación frente a niveles considerables de carga. En varios casos, la resistencia aumenta hasta que las fibras se quiebran y es ahí cuando hay caídas en la resistencia, seguido a esto, se repite el proceso hasta que la mayoría de grupos de fibras han fallado y la resistencia cae. Todo lo anterior evidenciado en el comportamiento oscilatorio del gráfico. Comportamiento que era esperado y es típico del refuerzo con fibras. En todas las muestras, incluida la de concreto convencional, el refuerzo con fibras sirvió para mantener unidos los bloques de concreto después de la falla. Incluso las dos partes de las viguetas permanecían unidas por las fibras después de fallar. Este efecto influye sobre la seguridad y comportamiento del revestimiento y por ende del túnel, tiene un efecto positivo. 119 6. BENEFICIOS TÉCNICOS Y ECONÓMICOS DEL REVESTIMIENTO DEFINITIVO EN CONCRETO LANZADO 6.1 COMPARACIÓN DE LOS COSTOS DEL CONCRETO LANZADO Y EL CONCRETO CONVENCIONAL Para el análisis de costos se tuvo en cuenta los valores reales de los materiales y mano de obra de proyectos en Colombia que se encuentran en proceso de licitación o construcción. Todo lo anterior, con el fin de demostrar el beneficio con un ejemplo lo más real posible.se asume un túnel tipo de 1000 m. el ejemplo comprende el valor de construcción del revestimiento y excavación, se trabajó con costos totales que incluyen el A.I.U. Se asume que el sistema de soporte es el mismo y el avance se realiza por un solo frente. Costos unitarios concreto lanzado m3 concreto convencional m3 excavación m3 fibra sintética kg $675.000 $450.000 $140.000 $15.000 Dimensiones Perímetro del túnel en concreto lanzado Perímetro del túnel en concreto convencional Espesor del revestimiento en concreto lanzado Espesor del revestimiento en concreto convencional 24 ml 22 ml 0,15 m 0,15 m Proporciones de materia prima Fibras sintéticas por ml 16 kg Análisis de costos por metro lineal de túnel con los dos revestimientos propuestos Costos por metro lineal de túnel Tipo Convencional Concreto Excavación Concreto Perímetro (ml) Espesor (m) m3/ml 24 24 22 0,4 0,3 0,15 9,6 7,2 3,3 kg/m3 Lanzado Fibras 16,5 120 Costos del revestimiento en concreto convencional, excavación y concreto: m3/ml Convencional $/m3 $/ml Concreto 9,6 $ 450.000 $ 4.320.000 Excavación 7,2 $ 140.000 $ 1.008.000 Total por ml $ 5.328.000 675.000 $ 15.000 $ 2.227.500 247.500 Costos del revestimiento en concreto lanzado, fibras y concreto: Lanzado Concreto Fibras 3,3 16,50 $ $ Total por ml $ 2.475.000 Costos de la impermeabilización según el tipo de revestimiento: Tipo Convencional Lanzado Impermeabilización Perímetro (ml) $/m2 24 22 60000 120000 $/ml $ 1.440.000 $ 2.640.000 Comparación de costos por metro lineal según el tipo de revestimiento, ahorros en costos y porcentaje: Costos unitarios por metro lineal de túnel Convencional Lanzado Ahorro $6.768.000 $5.115.000 $ 1.653.000 24% Realizando un análisis de los costos unitarios, con valores reales de un túnel en Colombia. Se encontraron ahorros de un 24%, teniendo en cuenta solo las reducciones en costo en la excavación y fabricación del revestimiento en concreto convencional comparado con el 121 concreto lanzado reforzado con fibras. Finalmente, se logran ahorros en todo el proceso de obra civil del túnel de un 6%. Analizando los ahorros totales sobre el proyecto en la obra civil se tienen en cuenta los siguientes valores: Costos total obra civil por metro lineal de túnel Convencional Lanzado $ $ $ 6% Ahorro 28.600.000 26.947.000 1.653.000 Se tienen ahorros de hasta un 6% en toda la obra civil de un túnel, teniendo en cuenta que nuestro túnel tipo de 1000 m tendría un valor de $ 28.600.000.000 y los ahorros serian de $1.653.000.000 6.2 PLAZOS Siguiendo el mismo esquema del túnel tipo de 1000 m, se tiene que: El avance en concreto convencional es de 6 metros por día El avance en concreto lanzado es de 20 metros por día Según estos datos, podemos calcular los ahorros en la construcción del revestimiento y la construcción de todo el túnel. Plazos de ejecución del revestimiento Tipo Longitud (m) Avance (días/m) Tiempo total (días) Convencional Lanzado 166,6666667 50 1000 1000 6 20 Ahorro 117 30% 122 Comparación de plazos por tipo de revestimiento según longitud y avance: Plazos de ejecución de la obra civil Tipo Longitud (m) Avance (días/m) Tiempo total (días) Convencional Lanzado 1000 1000 6 20 Ahorro 660 576 84 13% El ejercicio anterior se realizó con datos reales de proyectos en Colombia, demostrando una vez más las ventajas técnicas y económicas del uso del concreto lanzado como revestimiento definitivo. Se logran ahorros de un 30% en la construcción del revestimiento y de un 13% en todo el proyecto, argumentos de gran valor a la hora de seleccionar el tipo de revestimiento y tecnología a implementar. 123 7. CONCLUSIONES En Colombia hay en construcción y se construirán en los próximos años muchos túneles, para lo cual es necesario implementar nuevas tecnologías y modelos de diseño que permiten mayor eficiencia, seguridad, menores costos y plazos. El revestimiento de túneles viales en concreto lanzado generará cambios importantes en el ámbito Colombiano. Esta tecnología permite la construcción de más y mejores proyectos con una reducción importante tanto en costos como en plazos. Un análisis de las experiencias de túneles viales muestra que pueden lograrse revestimientos con espesores de entre 5 y 15 cm en concreto lanzado con fibras, frente a más de los 30 cm que exige el concreto convencional como requerimiento técnico. Esto se refleja en menor cantidad de concreto, menor volumen de material de excavación, menos tiempos de construcción del revestimiento y mayores eficiencias de los equipos. El uso de fibras en el concreto lanzado y convencional tiene más ventajas técnicas y económicas para el primero. En el caso del concreto lanzado la distribución homogénea de las fibras, el sistema de mezcla húmeda y proyección permite una mejora en la calidad y durabilidad del revestimiento en comparación con el concreto convencional. La resistencia se ve afectada por el sistema constructivo. Los valores de absorción de energía, resistencia flexural y módulo de elasticidad aumentan notoriamente al usar la compactación mecánica que brinda el concreto lanzado en comparación con la misma mezcla de concreto convencional con la misma proporción de aditivos y fibra sintética. En los resultados experimentales, se observó que el uso de aditivos en conjunto con fibras sintéticas presentó aumentos de hasta un 21% en la resistencia del concreto lanzado, lo que se traduce en una reducción del espesor del revestimiento. Según los datos experimentales y a la revisión bibliográfica, a medida que se incrementa la cantidad de fibra en el concreto lanzado, aumenta la capacidad de absorber energía y la máxima carga admisible. Como en el concreto convencional que pasó de 584 y 619 Jolues con 5 y 6 kg/m3 a 801 y 892 Jolues respectivamente. Sin embargo, existen límites para cada tipo de fibra que dependen de la sugerencia técnica del fabricante. 124 8. BIBLIOGRAFÍA 1. Austrian Concrete Society (1997) Shotcrete Guidelines (for early age strength testing). Publications listed in German only at www.concrete-austria.com 2. Austrian Concrete Society, 1999, Sprayed Concrete Guideline, Karlsgasse: Osterreichischer Betonverein. 3. ACI 506 R-90: Guide to Shotcrete 4. Barcelona, 2009. Estudio informativo de integración del ferrocarril en sant feliu de llobregat. Anejo 9. Túneles 5. Bernard, E. 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