19. fibras sinteticas en reemplazo de malla_claudio parada
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Noviembre 2012
Uso creciente de fibras sintéticas para el Remplazo de Mallas
Electrosoldadas en la construcción de Túneles
¿Qué es innovación?
Existen 2 puntos en el cual todos los autores convergen:
•Si los nuevos productos, procesos o servicios no son aceptados por
el mercado, no existe innovación.
•La Inovación es el elemento clave de la competitividad.
Innovar es crear o modificar un proceso o producto e
introducirlo en el mercado
EQUIPOS
Revestimiento Remoto de Piques
• Por vía seca
• Operador en superficie
• Calibración con
espesor conocido
• 3 camaras infra roja
Revestimiento por CPC
• Concreto
(aplicado centrífugamente)
• Mezcla húmeda
• Aire comprimido para girar
boquilla
• 4000 – 5000 rpm
• Con fibra sintética
• Horizontal
– Diámetro 0,4 a 2,4 m
Revestimiento por CPC
• Piques
– Diámetro 2,5 a 3,5 m
– 35 a 40 m3 / turno
CONTROL DE ESPESOR
Alternativas Actuales
• Durante aplicación
– Clavos
– “Dedo” en boquilla
– Laser (Meyco Logica)
– Medidores de espesor
• Pos-aplicación
– Topografía
– Taladro Hilti
– Fotogrametría
Fotogrametría
• Sobrepone imagenes en una malla
de triangulación
• Se pueden girar y magnificar las
imagenes
Analisis de Espesor
Imagen de Cambio de Espesor
Existen fibras de altísima calidad
que permiten reemplazar fibras
metálicas y mallas electrosoldada
que resultan de programas de
investigación y desarrollo de
algunas empresas del rubro del
plástico.
FIBRAS SINTETICAS
• Olefina de alta resistencia a la tracción de 6.400 kg/cm2
• Vínculo mecánico a través de incorporación de relieves en su estructura
• Vínculo químico a través de la incorporación de aditivos en la superficie.
• FIBRAS SINTETICAS
Jo
ule
s (C
155
0)
Fibras sintéticas con 9 kg/m3 Dramix con 40 kg/m3
0
200
400
600
800
1000
1200
1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013
Performance growth
Barchip Synmix Dramix future Barchip SI Fibre Reoshore
BC30
BC48
Kyodo
Xtreme Shogun
BC54
BCX
Synmix75
BCXX
Dramix
Propex
Reoco
FIBRAS SINTETICAS
Refuerzo tridimensional
Distribución de las fibras en el hormigón
Conceptos Generales de Soporte
en Túneles
• Soporte pasivo
– Arcos de acero. Soporta grandes presiones de la
roca. Actualmente se usa en túneles carreteros y
mineros, en sectores de con roca de mala calidad.
• Soporte activo
– Confiere resistencia al macizo rocoso principalmente
con pernos de anclaje, malla y shotcrete (concreto
proyectado). Es más eficiente que el pasivo, excepto
en sectores de roca de mala calidad.
Ejemplos Soporte Pasivo
Mina El Teniente Proyecto Kennedy – Lo Saldes Santiago
Ejemplos Soporte Activo
Mina El Teniente Proyecto Kennedy – Lo Saldes Santiago
• Hace algunos años la División El Teniente de Codelco implementa un ensayo a gran escala para determinar los resultados del sistema perno – malla – shotcrete.
• Estos ensayos permitieron determinar el comportamiento obtenido con este sistema para el sostenimiento de túneles en zonas de cargas estáticas.
• El ensayo implementado es una derivación del Ensayo Sud Africano utilizado para determinar el comportamiento de un shotcrete reforzado frente a una carga determinada.
Ensayos a Gran Escala
Curvas Carga - Deformación
Ensayo Sud Africano
Fibra metálica 40 Kg/m3
Malla
Fibra sintética 6 Kg/m3
Carga (ton)
12
10
8
6
4
2
0
Deformación al centro (cm)
0 2 4 6 8 10
Objetivo de Ensayo
Simular las condiciones de carga y de borde que se
producen en la práctica, eliminando las deformaciones
de los pernos y de las placas de apoyo, con el fin de
determinar las características de deformación.
Medir la Carga y Absorción de Energía del panel.
Eventualmente dar alguna idea de la repartición de
carga entre lo que toma el panel de shotcrete y la
fracción de la carga que se transmitirá directamente a
los pernos de anclaje
Esquema del Ensayo
1m
Disposición de puntos de medición
25 cm
25 cm
100 cm
25 cm
T4
T5
T1
T2
T3
160 cm
Distribución de Cargas
EFECTO DE ARCO
MODELACIÓN NUMÉRICA MODELO INICIAL
LOSA DEFORMADA (PERSPECTIVA)
Confección de paneles
Perno - Malla - Shotcrete
Confección de Paneles
VISTA INFERIOR DE UN PANEL CON MALLA
DESPUES DE LA ROTURA
Resultados Ensayo Paneles
Shotcrete + Malla 100-06
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 20 40 60 80 100 120 140
Deformación central (mm)
Ca
rga
(to
n)
Fig.2.- Curva carga – deformación sistema shotcrete – malla
10006 en ensayo estático de rotura
Malla 10,9 614 14,90 11000
Carga de
Fluencia
(ton)
Energía a
los 10cm
(Joules)
RefuerzoEspesor
(cm)
Peso
(Kgs)
Especificación de Codelco para el
reemplazo de malla por fibra.
RESULTADO ESPERADO: se considerará un resultado satisfactorio de esta prueba
si se cumple con los siguientes requisitos mínimos:
- Carga máxima: 14 ton.
- Capacidad de absorción de energía a 10 cm de deflexión central en el panel:
10000 joules.
- Comportamiento de la curva carga – deformación similar a la obtenida con igual montaje para el sistema shotcrete – malla 10006 (ver figura siguiente).
Ensayos de Shotcrete Reforzado
con Fibra Sintética
• A fines del año 2006 se realizaron pruebas de laboratorio para
determinar la performance de la fibra sintética frente al
comportamiento de la malla 100-06, las cuales fueron hechas
con el fin de cumplir los parámetros de éxito para la posterior
prueba en terreno.
• Se entrega a continuación:
• Un resumen de los ensayos realizados al shotcrete con fibra
sintética.
• La metodología de Prueba de Fibra Sintética para Shotcrete
en Mina El Teniente.
Antecedentes de Ensayo de Paneles
con Fibra Sintética
Se prepararon 3 paneles cuadrados para la realización
de los ensayos.
El hormigón deberá cumplir con las recomendaciones y
requerimientos de El Teniente, siendo uno de los más
importantes el que se obtenga una resistencia a las 24
horas de 100kg/cm2
Las dimensiones del moldaje utilizado para los paneles
de shotcrete fue de: 10 cm de espesor y 160 x 160 cm.
Ensayo con Fibra
Cemento
Arena 1
Arena 2
Agua
Aditivo 1
Aditivo 2
Fibra sintetica
Razon Agua/cemento
Dosificación de shotcrete fibra, por m3 de material
Dosificación llenado
PanelesComponentes
Requisito resistencia a
compresion a los 28 dias225 (kg/cm2)
464 kg
7,0 kg
0,54 lt
2,39 lt
226 lt
159 kg
1433 kg
DOSIFICACIÓN
0,48
Preparación de Paneles para
Ensayo
Ejecución de Ensayo
Resultados de Paneles
Gráfico Carga – Deformación T1
Absorción de Energía de Paneles T1
Resultados de Ensayos
A 10 cm
Cumplimiento Satisfactorio de Requisitos
para el reemplazo de malla por fibra
El shotcrete con una dosis de 7 kilos de Fibra por
m3 tiene un comportamiento igual o superior al
shotcrete con malla en cuanto:
- a la capacidad de carga
- comportamiento de la curva carga – deformación
- absorción de energía
Por lo tanto cumple con lo Especificado por la
División El Teniente de Codelco.
41
Sistema Shotcrete – Fibra Sintética
Fortalezas Debilidades
Durabilidad mayor de refuerzos
sintéticos con relación al acero
en ambientes agresivos (minería)
Resistencia inicial depende de
calidad de áridos, cemento y
acelerador de fraguado
Menor consumo de material con
relación a sistema shotcrete con
malla
Desconocimiento de experiencias
similares en ámbito minero
Ahorro de tiempo en ciclo de
avance por eliminación de
colocación de malla y afianzado
Control de resistencias a
temprana edad no establecido
por norma
Resistencias similares a
shotcrete con perno y malla
Menor consumo de shotcrete
Requisitos para el Proceso
Constructivo
• Validar la secuencia constructiva a emplear para este
sistema.
• Detectar cualquier inconveniente asociado al manejo o
proyección de la fibra.
• Determinar la curva resistencia en función del tiempo
para edades tempranas del shotcrete con fibra.
A
B
C
Secuencia Constructiva
Metodología:
Objetivo: Aplicar shotcrete con fibra sintética, según
secuencia productiva propuesta en Figura.
Requisitos de Éxito de la Prueba en Proceso Constructivo
- Que no se genere fisuramiento del shotcrete producto
de las tronaduras sucesivas.
- Que no exista caída de masas o planchones de
shotcrete durante y después de la proyección.
- Obtener tiempos asociados al ciclo constructivo.
Comparar con ciclo de sistema perno-malla-shotcrete.
Duración del proceso constructivo
del shotcrete con malla
Esta compuesta por 4 actividades principales:
• Colocación de la malla.
• Afianzamiento de la malla.
• Preparación de los equipos de shotcrete.
• Colocación del shotcrete
Duración del proceso constructivo
del shotcrete con fibra
Está compuesta por 2 actividades principales:
• Preparación de los equipos de shotcrete.
• Colocación del shotcrete.
Disminución del tiempo del ciclo de trabajo
de la obra al incorporar shotcrete con Fibra
Para determinar la disminución de tiempo total, hay que definir la secuencia
de trabajo utilizada en cada ciclo de trabajo
Secuencia de Trabajo
1. Transición Turno Día - Noche
2. Retiro Marina
3. Acuñado Frente - Caja - Corona
4. Marcación Gradiente-Centro
5. Marcación Cajas - Coronas
6. Instalación Jumbo
7. Perforación Cajas - Coronas
8. Retiro Jumbo - Instalación. Grúa Plataforma
9. Acuñado Cajas - Corona Post Perforación
10. Colocación Pernos Lechados
11. Colocación Malla
12. Transición Turno Noche - Día
13. Afianzamiento Malla
14. Preparación Equipos Shotcrete
15. Colocación Shotcrete
16. Limpieza Pata
17. Marcación de la Frente para Tronadura
18. Retiro Grúa Plataforma - Inst. Jumbo
19. Perforación de la Frente
20. Retiro Jumbo - Instalación Grúa Plataforma
21. Colocación Explosivos
22. Evacuación y Tronadura
Disminución del tiempo del ciclo de trabajo
de la obra al incorporar shotcrete con Fibra
Las actividades nº11 y nº13 son las únicas que se eliminan al utilizar la
metodología de shotcrete con Fibra y todas las demás se mantienen.
• En el Tiempo Promedio registra una reducción entre un 12% y un 60% al
utilizar la Metodología de shotcrete con Fibra
50
RESUMEN SISTEMA SHOTCRETE-FIBRA
EN CICLO DE AVANCE
0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00
Ventilación
Marina
Acuñado
Perforación pernos
Lechado pernos
Colocación malla
Tensado malla
SHOTCRETE
Perforación de la frente
Carguío y disparo
Horas Acumuladas
Perno-Shotcrete-Malla Perno-Shotcrete con fibra
Beneficios de la disminución
de plazos
La disminución del plazo de un proyecto tiene una serie de beneficios
tanto para las empresa contratistas como para las empresas
mandantes. Entre los principales beneficios tenemos:
GEOMETRÍA
DEL TÚNEL
TECHO PLANO ARCO SUAVE
ARCO IRREGULAR
FRACTURAS FRACTURAS BLOQUE
INESTABLE
BASE TEÓRICA PARA EL ENSAYO
GEOMETRIA
DEL
MODELO
PLANA ARCO SUAVE ARCO IRREGULAR
RESISTENCIA DEL SHOTCRETE 80 Kg/cm2 - 250 Kg/cm2
ADHERENCIA BAJA - ALTA
ESPESOR DE CAPA 2.5 cm - 15 cm
CONDICIONES DE
BORDE
EXTREMO LIBRE
EXTREMO FIJO
REFUERZO NADA FIBRA MALLA
CONDICIONES Y VARIABLES DE
DISEÑO
Diagrama de esfuerzos para el
diseño de shotcrete con malla
Ts
Cc
s
cu
0.85·f’c
Ts
Cs 0.85·c
c
s
cu
Cc
tb=L/150
Pu
Deformación
Ca
rga
Tb
b
h
L/3
L
P
2tb
be
h·b
L·
Tf
100·
f
fR
0
ee
Valores
tabulados para
distintas
dosificaciones
de fibras
Variables para el diseño del Shotcrete con
Fibras
C
T
fe
Resistencia
residual
equivalente
f0 : Módulo
de ruptura del
shotcrete sin
refuerzo
Re3
Coeficiente
de Tenacidad
Metodología actual de diseño de
Shotcrete con fibras
Información
requerida Momento flector
solicitante(M)
Resistencia
a la
compresión
del hormigón
(fc)
Re
Coeficiente
de Tenacidad
• Módulo de ruptura de la
matriz de Shotcrete:
• Resistencia Residual
equivalente:
Espesor de
Shotcrete
requerido:
3 2
c0 f·4.0f 0
ee f·
100
Rf
b·f
M·6d
e
(Unidades en N y mm)
Conclusiones
La solución de shotcrete con Fibra Sintética cumple con la
condiciones para el reemplazo de la Malla 100-06 en sostenimiento
de túneles para condiciones de cargas estáticas.
La Fibra Sintética es una alternativa real frente a otros tipos de
reforzamiento en la actualidad (mallas de acero y fibras metálicas),
debido a los avances tecnológicos y la investigación y desarrollo del
polipropileno.
Al realizar un análisis de costos se desprende que la metodología
del shotcrete con Fibra Sintética puedes generar ahorros importantes
frente a la metodología del shotcrete con Malla, considerando:
● Un menor consumo de shotcrete al tener una capa de espesor
homogéneo que se adapta a la superficie.
●Una mayor productividad en el avance de la faena, incorporando los
beneficios que esto conlleva.
Gracias
REQUISITOS DEL SHOTCRETE PARA EL
SOPORTE DE ROCAS
• BUENA ADHERENCIA
• RESISTENCIA INICIAL
ALTA
• Cantidad de cemento
• Granulometría adecuada de la arena
• Tamaño máximo de agregado
• Tipo de cemento
• Uso de Policarboxilatos
• Uso de aceleradores de fraguado
• Incorporación de fibras
Concepto de Calidad
Hormigón
convencional:
• Resistencia a la
compresión a los 28 días
Shotcrete:
• Adherencia
• Espesor mínimo
• Resistencia a la
compresión a temprana
edad
• Resistencia a la flexo-
tracción
• Absorción de Energía o
Tenacidad
Importancia de la adherencia • La excelente adhesión del shotcrete a otros materiales es a
menudo la más importante condición de diseño
• La fuerza del impacto del material proyectado con aire comprimido sobre la superficie, provoca una compactación de la mezcla en las pequeñas irregularidades de la superficie y se traduce en una buena adhesión a ésta
• La prueba más palpable es la auto suportación del shotcrete cuando se proyecta sobre cabeza
• La adherencia permite que la membrana de shotcrete impida los desplazamientos de roca entre sí, por lo tanto, se mantiene la cualidad auto soportante del macizo rocoso en el techo de las galerías
DOSIFICACIÓN DE SHOTCRETE (1 m3)
• MATERIALES • Cemento:
– 420 kg/m3
• Árido: – 1620 Kg/m3
• Agua: – 210 Kg/m3
• Hiperplastificante: – 4,25 kg/m3
• Acelerador de fraguado: – 25 kg/m3
• Fibra : – 6 kg/m3 Sintética
– 40 kg/m3 Metálica
Banda Granulométrica Recomendada
para el Shotcrete
Sieve size (US standard) Grading No.1 Grading No.2
12.50 mm (1/2 inch) - 100
9.50 mm (3/8 inch) 100 90 – 100
4.75 mm (No. 4) 95 – 100 70 – 85
2.36 mm (No. 8) 80 – 98 50 – 70
1.18 mm (No. 16) 50 – 85 35 – 55
600 μm (No. 30) 25 – 60 20 – 35
300 μm (No. 50) 10 – 30 8 – 20
150 μm (No. 100) 2 - 10 2 - 10
0
20
40
60
80
100
19 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
Sieve Size (mm)
Cu
mu
lati
ve %
Passin
g
Min. Limit Max. Limit Actual Grading
Essential part of a
shotcrete design
25% below 0.3mm
Diseño de Mezcla
Aditivos
• Uso de acelerador de fraguado:
– Reducen el tiempo de fraguado y la resistencia inicial es mayor, lo que posibilita aplicación de capas sucesivas con mayor rapidez y en espesores mayores
– Reduce la resistencia a 28 días, por lo cual, hay que agregar la menor cantidad posible
– Existen varios tipos de acelerantes, en base a aluminatos, silicatos y libres de alcalis, estos últimos se han masificado Dado que son menos dañinos para la salud humana y no reducen demasiado la resistencia final del shotcrete.
• Uso de Hiperplastificante (Policarboxilatos):
– Reducen la relación agua/cemento, producen un corte de agua hasta un 30%.
– Produce shotcrete de alta trabajabilidad, aumentando las resistencias iníciales y finales.
– Aumenta la cohesión de la mezcla.
Resistencia a
temprana edad
Desarrollo de
resistencia
Evolución de Resistencias
ENSAYOS
• Antes de la puesta en marcha
• Control de calidad rutinaria
• Resistencia a la compresión
– Cilindros
– Testigos
• Absorción de Energía
ENSAYOS
• Vigas (ASTM C-1399, 1609, otras)
– Fisuras muy cortas
– Forma de falla no consistente
• Efnarc
– Fisuras largas
– Forma de falla no consistente
– Requiere cortar
– Caro, lento, pre-proyecto
– CV 10 – 20%
• Panel Circular (ASTM C-1550)
– Fisuras largas
– 3 fisuras radiales en forma consistente
– Listo sin cortar
– Rutinario, laboratorio in situ
– CV 6 – 10%
ENSAYO DE VIGA
ENSAYO DE VIGA
SHOTCRETE
SHOTCRETE
Ejemplo
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