Seminario «Soluciones y avances tecnológicos para proyectos de túneles» 18 de agosto de 2015

“Shotcrete: especificaciones, diseño y controles”

Gerardo Staforelli Subgerente de Ventas Técnicas de Melón S.A.

www.cdt.cl

69 páginas

Shotcrete : Diseño, Fabricación y Controles

Gerardo Staforelli Vivanco Sub Gerente Ventas Técnicas Melón

AGENDA

1. Hormigón de Calidad. 2. Hormigón Proyectado - Shotcrete.

3. Aplicaciones de Shotcrete. 4. Requisitos, Especificaciones, Diseño y resultados 5. Comentarios

AGENDA

1. Hormigón de Calidad. 2. Hormigón Proyectado - Shotcrete.

3. Aplicaciones de Shotcrete. 4. Requisitos, Especificaciones, Diseño y resultados

5. Comentarios

Compuestos con base en Cemento

Cemento

SHOTCRETE

Lechada Agua Aire + Aditivos

Mortero Arido fino

Hormigón

Arido grueso

Composición típica de un hormigón o mortero

HORMIGÓN Cemento

Agua Aire + Aditivos

SHOTCRETE

10 %

14 %

14 %

18%

1%

3%

75 %

65 %

Arido total

 Importancia del árido

¿Qué es un Hormigón de Calidad? Un hormigón de calidad es aquel que cumple con los requisitos de trabajabilidad, resistencia y durabilidad para una determinada aplicación y al mínimo costo posible.

Hormigones de Retracción Compensada

Piques del Metro

Escultura Aeropuerto de Calama

Fluidia en Viviendas

¿Qué es la Trabajabilidad?

Un hormigón es trabajable cuando luego de un mezclado efectivo, éste puede ser transportado, colocado, compactado y terminado sin que segregue, es decir, sin que se separen sus componentes provocando nidos de piedra, elementos cortados o mal terminados.

¿Qué es la Trabajabilidad?

La trabajabilidad adecuada depende de la aplicación que se le vaya a dar al hormigón.

¿Cómo se mide Trabajabilidad? Para la mayoría de los casos se hace a través del Asentamiento de Cono o cono de Abrams

¿Qué es la Trabajabilidad?

Pero también existen muchos otros métodos

¿Qué es la Trabajabilidad?

La trabajabilidad se logra equilibrando dos propiedades fundamentales del hormigón: 

La Fluidez, para que el hormigón pueda ser manipulado con facilidad y



La Cohesión, para que el hormigón se mantenga homogéneo y no segregue al ser utilizado en las distintas partes del proceso.

Cohesión

Fluidez

¿Qué es la Resistencia?

La Resistencia de los materiales se refiere a su capacidad de soportar solicitaciones (como cargas aplicadas) sin fracturarse y/o con una deformación tolerable según algún criterio.

Resistencia a Compresión(Nch 1037)

P ( kg ) R = P / A (kg/cm2) A ( cm2 )

Medida directa de la capacidad a compresión.

De que depende la resistencia?

La resistencia del hormigón depende de los siguientes factores:



Calidad de la pasta de cemento. Adherencia entre el árido y la pasta.



Calidad del árido.



Y también se ve alterara por: 

Condiciones de Curado.



Aceleración inicial.



Sistemas de Compactación. (Vibrado o velocidad)

De que depende la resistencia?

La carga aplicada se transmite a los distintos componentes: a la pasta de cemento, a los áridos y a la interfase de unión pasta árido.

Partícula de árido Pasta cemento o mortero Partícula lajeada

Calidad de la Pasta de Cemento

La calidad de la pasta de cemento depende de: •

•

Relación A/C cemento)

(Peso de agua libre/Peso de

Tipo de cemento (Corriente, Alta Resistencia) A mayor A/C :

menor resistencia

menor durabilidad

¿Cuál es el agua libre? Es la cantidad de agua disponible para que el cemento se mezcle formando la pasta (pegamento). Agua de absorción (no disponible)

Agua agregada (disponible)

Agua libre = Agua total - agua de absorción Humedad superficial (disponible)

Calidad de la Pasta (pegamento)

Curva A/C - R para cada cemento R A mayor A/C menor resistencia A menor A/C mayor resistencia R1

R2

(A/C) 1

(A/C) 2

A/C

Adherencia Arido - Pasta

La adherencia entre las partículas de los áridos y la pasta de cemento depende de: •

•

•

•

La calidad de la pasta de cemento (fortaleza del pegamento).

La textura o rugosidad de la superficie de las partículas sobre las cuales debe adherirse la pasta de cemento. Superficies muy lisas disminuyen la adherencia. La limpieza superficial. La forma de las partículas. La partículas lajeadas generan concentración de tensiones.

Durabilidad

El hormigón debe permanecer inalterable en el tiempo, al menos, durante la vida útil de la obra. “La durabilidad se logra con una buena selección de materiales, dosificación, colocación, compactación y curado de manera de lograr la mayor densidad posible en el hormigón”.

Al dosificar se debe considerar las condiciones de exposición del hormigón: considerar la posibilidad de ataques físicos y/o químicos.

¿Qué es la Durabilidad?

Un material es durable si es capaz de resistir todas las solicitaciones que actúan sobre él durante toda su vida útil esperada sin que sean modificadas significativamente sus propiedades originales. En general, la durabilidad del hormigón se logra confeccionándolo de manera que sea impermeable. La impermeabilidad se logra con una razón A/C igual o inferior a 0.45, Uso de aditivos Cristalizantes, Sílice Coloidal o Micricilice, aplicando un curado efectivo y respetando las buenas prácticas constructivas con hormigón.

¿Qué es la Durabilidad?

En el caso de hormigones expuestos a ciclos de congelamiento y deshielo, es necesario la inclusión de aire para soportar las expansiones internas, si se producen.

¿Qué es la Durabilidad?

Tiempo de curado requerido para lograr un sistema poro - capilar discontinuo Razón A/C

Tiempo de Curado (Días)

0,40 0,45 0,50 0,60 0,70

3 7 28 180 365

Efecto del tiempo de curado de la pasta de cemento (A/C = 0.51) sobre su coeficiente

de permeabilidad Tiempo de Curado (Días)

Coeficiente de Permeabilidad (m/s)

1 3 7 14 28 90

10 -8 10 -9 10 -11 10 -12 10 -13 10 -16

Requisitos del Hormigón

Para que el hormigón cumpla los requisitos, además de un correcto diseño, es imprescindible un correcto manejo en obra. Buen diseño y mal manejo

 no ok !

Mal diseño y buen manejo  no ok ! Buen diseño y buen manejo  OK !! Manejo en obra: confección, transporte, colocación, compactación, curado, protecciones y controles.

AGENDA

1. Hormigón de Calidad. 2. Hormigón Proyectado - Shotcrete. 3. Aplicaciones de Shotcrete. 4. Requisitos, Especificaciones, Diseño y resultados 5. Comentarios

Trabajabilidad

Trabajabilidad

Trabajabilidad

Hay que definir metodología de medición de trabajabilidad diferente o complementaria al Cono de Abrams

Resistencia

Resistencia

Resistencia

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1. Hormigón de Calidad. 2. Hormigón Proyectado - Shotcrete. 3. Aplicaciones de Shotcrete. 4. Requisitos, Especificaciones, diseño y resultados 5. Comentarios

Obras de Metro

Obras de Metro

Obras de Metro

Codelco Teniente

Codelco Teniente

Canal San Carlos

Canal San Carlos

Cancha de Skateboard

Cancha de Skateboard

Cancha de Skateboard

AGENDA

1. Hormigón de Calidad.

2. Hormigón Proyectado - Shotcrete. 3. Aplicaciones de Shotcrete. 4. Requisitos, Especificaciones, Diseño y resultados 5. Comentarios

Requisitos de diseño del Shotcrete

• Resistencia • Resistencia a compresión 28 días • Resistencias tempranas • Resistencia a la flexión

• • • • • •

Docilidad Tenacidad Absorsion de Energia Densidad Adherencia Durabilidad

Requisitos de diseño del Shotcrete Resistencia a compresión 28 días • Esta es la principal propiedad que se especifica para hormigón proyectado, definida para la solicitación a mediano-largo plazo de la Obra a ejecutar, sin consideraciones particulares sobre solicitaciones o necesidades puntuales asociadas a la seguridad en el proceso de ejecución.

• Es de importancia considerar que este parámetro se define como propiedad del hormigón endurecido y en el lugar de aplicación, por lo que en pruebas preliminares se debe incluir el efecto del acelerante en la curva de desarrollo de resistencia en distintas dosis. Hoy se considera comunmente una variación de hasta un 20% de resistencia entre el hormigon ensayado sin acelerante versus un testigo extraido del lugar de aplicación.

Requisitos de diseño del Shotcrete

Resistencias tempranas

• Este es un requisito complementario, no menos importante que el valor de resistencia especificado (28 días) definido para el proyecto, generalmente asociado a criterios de seguridad en sostenimientos y soporte de rocas. Estas se pueden dividir en dos: • Resistencia temprana hormigón “fresco” • Resistencia temprana hormigón endurecido

Requisitos de diseño del Shotcrete

Resistencias hormigón “fresco” • El hormigón proyectado, se puede definir como hormigón fresco durante sus primeras 24 horas, momento en el cual, los métodos convencionales de medición de resistencia (probetas moldeadas o testigos), son poco adecuados o inutiles para ponderar un valor real. • Por este motivo hoy se utilizan métodos indirectos de medición, usando comunmente penetrómetros, siendo el método Austriaco, asociado a las curvas “J” de los mas utilizados hoy.

Requisitos de diseño del Shotcrete

Resistencias hormigón endurecido • Debido al uso de acelerantes, habitualmente el shotcrete de alto performance adquiere la resistencia necesaria para poder ejecutar ensayos de compresión convencionales, asociado particularmente a testigos de paneles proyectados para ponderar el efecto real del acelerante, para este caso las edades habituales de medición son: • • • • • •

12 horas 24 horas 3 días 7 días 14 días 28 días

Requisitos de diseño del Shotcrete Docilidad • Este es una magnitud, asociada como indicador aproximado de la trabajabilidad del material, la regularidad y uniformidad entre los lotes despachados, esta generalmente es medida mediante un cono de metal normalizado de acuerdo a NCh1019, existiendo hoy la discusión respecto al uso de otros métodos de medición como los descritos en NCh3113, los cuales son mas idóneos para mezclas con cono de diseño superior a 20 cm. • La magnitud del asentamiento definido, se asocia a la aplicación que se realizará, siendo las mezclas con cono 6 a 12 apropiadas para faenas en donde no se incorpora acelerantes, y superiores a 18 cm, para aquellas en las que si es necesario el uso de estos.

Requisitos de diseño del Shotcrete

Tenacidad • Este es un requisito asociado a una medida de resistencia despues del la fisuración de un hormigón proyectado reforzado con fibra, esta se puede medir en términos de la capacidad de carga residual o capacidad de absorción de energía. • Los valores de tenacidad, y la forma de medición, dependen de los requisitos de la aplicación, definidos y/o especificados por el ingeniero o el experto geomecánico de la Obra.

Requisitos de diseño del Shotcrete

Absorsión de Energia • Los métodos habituales para la medición de estos valores es mediante el uso paneles circulares según ASTM C1550, EN14488, para vigas y EN14488-5 para paneles cuadrados

Requisitos de diseño del Shotcrete Densidad • Es un valor importante a ponderar para asegurar la continuidad del suministro en virtud del diseño de la mezcla, en líneas generales las densidades suelen estar entre 2200 y 2400 Kg/m3. • La densidad tomada en fresco comparada con la densidad definida por diseño, es el indicador utilizado para revisar el volumen real del hormigón despachado, pues no considera las singularidades del sector de aplicación ni las perdidas por rebote

• Una variación sustancial entre la medición de densidad de una probeta moldeada versus el testigo del mismo hormigón proyectado, puede ser un indicador de la calidad de proyección, comprendiendo que una baja en la densidad significa un mayor contenido de aire.

Requisitos de diseño del Shotcrete Adherencia • Las características de adherencia del shotcrete al sustrato de igual forma, se pueden dividir en dos cualidades: Adherencia en fresco (rebote), adherencia del hormigón endurecido al sustrato

Requisitos de diseño del Shotcrete Ejemplos Especificaciones Metro Linea 6

Requisitos de diseño del Shotcrete Ejemplos Especificaciones Metro Linea 6

Requisitos de diseño del Shotcrete Ejemplos Especificaciones Metro Linea 3

Requisitos de diseño del Shotcrete Ejemplos

Especificaciones Metro Linea 3

Requisitos de diseño del Shotcrete Ejemplos

Especificaciones Metro Linea 3- Límites mínimos

Consideraciones de Diseño

Consideraciones de Diseño

1. Agua Libre Trabajabilidad



Tamaño

Máximo,

Contenido

de

aire,

2. Razón A/C  Función de R28  Hay que considerar perdidas por acelerantes, y requisitos de resistencia inicial

3. Dosis de Cemento  C= ALibre/(Razon A/C), Minimo 350 kg/cm2 4. Dosis de aditivos  Considerar tiempos de Transporte, reducción de agua requerida y resistencias iniciales 5. Áridos  Arenas con MF entre 2,5 y 2,9, y bandas granulométricas que permitan obtener hormigones bombeables y minimizar el Rebote CONFECCIONAR SHOTCRETE DE PRUEBA EN LABORATORIO Y EN TERRENO

Resultados reales de resistencia

AGENDA

1. Hormigón de Calidad. 2. Hormigón Proyectado - Shotcrete. 3. Aplicaciones de Shotcrete. 4. Requisitos, Especificaciones, Diseño y resultados 5. Comentarios

Comentarios y recomendaciones

 Si bien el Shotcrete tiene requerimientos particulares, sigue siendo un Hormigón.  Existen muchas aplicaciones adicionales a las de túneles.  Se debe trabajar en definir criterios estandarizados de recepción, específicamente lo referido a trabajabilidad, rebote y resistencia.  No “abusar” de los requisitos de resistencia inicial.  Definir el uso de curvas J según requerimientos, y no una especificación general de un proyecto  Considerar en el diseño, que los valores reales de resistencia a 28 días pueden llegar a duplicar lo especificado si los requisitos iniciales son muy altos.

 Especificar solo atributos y no por composición del Hormigón.

Comentarios y recomendaciones

 Considerar que a mayor tiempo de Transporte se requiere mayor retardo y como consecuencia las resistencias iniciales serán

MENORES  Trabajar muy coordinados entre fabricante y aplicador, son los 2 extremos de la cadena y muchas veces NO SE CONOCEN