Capitulo 2

Consideraciones de diseño para el concreto lanzado

Consideraciones de diseño para concreto lanzado

Materiales para concreto lanzado

Los mismos ingredientes que se utilizan para elaborar un concreto de calidad, agregados, agua, cemento, aditivos y adiciones deben de emplearse para el concreto lanzado

Agregados:Entenderemos la palabra agregado como un material de construcción unido a un todo cohesivo por medio de la pasta de cemento, sin ser completamente inerte donde sus propiedades físicas, químicas, térmicas influyen en el comportamiento del concreto

Los agregados ocupan por lo menos tres cuartas partes del volumen de concreto por ello es que su calidad es sumamente importante. El agregado no sólo limita la resistencia del concreto, puesto que los agregados débiles no pueden constituir concreto resistente, sino que sus propiedades afectan tanto la durabilidad como el comportamiento del concreto recién mezclado, ya endurecido, y en la economía..

Las funciones principales de los agregados son:

a) Dar un relleno relativamente económico para el material cementante ya que los agregados son más económicos que el cemento.

b) Proveer una masa de partículas aptas para resistir la acción de cargas aplicadas, abrasión, el paso de humedad y la acción climática.

c) Reducir los cambios de volumen resultante de los procesos de fraguado y endurecimiento y de los cambios de humedad en la pasta de cemento.

Los agregados deben estar constituidos por partículas duras, de forma y tamaño estables y deben estar limpios, libres de terrones, partículas blandas o laminadas, arcillas, impurezas orgánicas, sales y otras sustancias que por su naturaleza o cantidad afecten la resistencia o la durabilidad del concreto o del acero.

Los ensayos o pruebas de los agregados ayudan a evaluar sus características. Deben de cumplir con los requerimientos de la norma ASTM C 33. Se recomienda que la combinación de agregados cumpla con una de las diferentes granulometrías recomendadas por ACI 506 R-90 para la elaboración del concreto lanzado (apéndice 1)

Se pueden emplear agregados que no cumplan con las especificaciones siempre y cuando se hayan realizado pruebas previas que demuestren su comportamiento satisfactorio.

Los agregados de forma redondeada son más apropiados que los triturados, estos últimos aumentan la cantidad de rebote, generan mayor desgaste de equipo y tienden a atascarlo.

En la proyección por vía seca, es importante controlar la humedad de los agregados, sobre todo las arenas, se recomienda que tengan una humedad baja y uniforme, entre el 3 y el 6%. Cuando la humedad es inferior al 3%, es decir que el material este muy seco provocará una cantidad excesiva de polvo cuando se coloque y cuando es mayor de 6%, puede provocar la adherencia de la mezcla a las paredes internas de los equipos de impulsión.

Deben tomarse las precauciones para transportar y almacenar estos materiales en obra, sin alterar su calidad original.

No obstante, el hecho de que los agregados cumplan con las normas no garantiza un concreto de buena calidad, porque intervienen otros factores como son el agua, el cemento, los aditivos, la dosificación en la mezcla, el equipo utilizado para la colocación, experiencia y capacidad del personal, así como del curado adecuado.

El diámetro máximo del agregado es de 8 – 10 mm, debido a las limitaciones del equipo de bombeo y también para evitar grandes pérdida por rebote

AguaEl agua de mezclado está formada por el agua directamente añadida a la mezcla y por la humedad que contengan los agregados.

El agua, con relación a su uso en el concreto tiene dos funciones, como ingrediente para la elaboración de las mezclas donde inicia la reacción química del cemento, produciendo el fraguado y endurecimiento del concreto, y como medio de curado del concreto cuando se utiliza este método. Aunque en estas aplicaciones las características del agua tienen efectos de diferente importancia, es usual que se recomiende emplear agua de una sola calidad en ambos casos.

La mala calidad del agua puede:- Impedir o retardar el fraguado o endurecimiento- Disminuir la resistencia- Reducir la durabilidad- Corrosión del acero de refuerzo - Causar florescencias, manchado, etc.

Casi cualquier agua que no tenga un sabor u olor pronunciado, con un pH de 7 que no contenga sustancias disueltas o que las contenga en concentraciones mínimas, se puede utilizar para producir concreto.

Al hablar de los requisitos de calidad del agua básicamente me refiero a sus características físicas y químicas y sus efectos sobre el comportamiento y las propiedades del concreto.

Se puede verificar la calidad de cierta agua mediante la elaboración de especímenes de mortero, obteniendo mínimo un 90% de resistencia contra testigos elaborados con agua destilada (ver también sección 3.4 del ACI 318).

CementoPara elaborar los concretos y morteros lanzados se pueden emplear todos los cementos Pórtland existentes en el país que cumplan con la norma NMX-C-414-ONNCCE, eligiendo el tipo según las necesidades de durabilidad y resistencia particulares de la Obra.

En los casos en que la el concreto lanzado vaya a ser expuesto a la acción de suelos o aguas con una alta concentración de sulfatos deberá emplearse cemento resistente a sulfatos

El comportamiento del cemento se debe de evaluar mediante pruebas preliminares con todos los materiales en el sitio. Es muy importante verificar la compatibilidad y reactividad con los aditivos.

Aditivos y adiciones Los aditivos para concreto lanzado son sustancias orgánicas y/o inorgánicas, en estado líquido o sólido. Reaccionan con la hidratación del cemento ya sea en forma química, física o física - química, y se agregan antes, durante o después del mezclado, con el fin de modificar una o más de las propiedades del concreto en estado fresco, de endurecimiento o ya endurecido, de tal manera que se adapte mejor a las condiciones de la obra y de las necesidades del constructor.

Se recomienda hacer siempre pruebas con todos los aditivos, deben de ser probados previamente para conocer su compatibilidad entre los diferentes aditivos y sus efectos en el concreto.

En obra deben tenerse presente las precauciones necesarias para evitar que los aditivos se deterioren por contaminación, temperaturas extremas o usos indebidos, así como almacenamientos prolongados.

El uso de un aditivo no soluciona los problemas de un mal diseño de mezclas, ni la utilización de materiales, el empleo de maquinaria, equipo y procedimientos de colocación inadecuados.

Reductores de agua Deben de cumplir con la norma ASTM C 494, Se emplean sólo en el concreto lanzado vía húmeda, ya que en la vía seca son completamente ineficientes al dosificarlos con el agua de mezclado en la boquilla.. Los plastificantes se emplean para mejorar la

bombeabilidad o la fluidez del concreto. En el proceso vía húmeda se desea colocar un concreto bombeable pero no mediante el incremento del contenido de agua en la mezcla. Si la relación agua / cemento es alta el concreto se segregara, se diluirá el cemento y obtendremos un concreto débil. Para ello empleamos un aditivo reductor de agua de alto rango para tener una baja relación Agua / cemento, con una excelente bombeabilidad, sin segregación y una mejora en las características del concreto

AcelerantesLos acelerantes son esenciales para ciertos trabajos de construcción subterránea, principalmente cuando se requiere construir una sección rápidamente y/o se requiere un rápido desarrollo de resistencias a tempranas edades. Los acelerantes para concreto lanzado tienen efectos diferentes dependiendo su composición química, la química del cemento y la dosificación utilizada.

En el concreto lanzado vía húmeda requiere la adición de acelerantes líquidos, en la boquilla para una rápida colocación. El primer efecto de estos productos es el de reducir el revenimiento ( consistencia del concreto) al momento de lanzarlo, de una consistencia fluida a una seca mientras el concreto está en el aire, eso le permite adherirse a la superficie e incrementar el espesor de capa.

Con el uso de acelerantes se puede colocar concreto en superficies horizontales y sobrecabeza. Gracias a ello, permite la aplicación del concreto lanzado como soporte inicial en túneles y minas.

La dosificación del acelerador puede variar, dependiendo de la habilidad del operador, la superficie de aplicación, y la relación agua / cemento ( altas relaciones agua/cemento requieren mayores dosificaciones de aditivos acelerantes para reducir la consistencia)

Sin embargo los acelerantes tienen un efecto secundario que es la reducción de la resistencia final ( 28 días ). Resistencia comparada contra un concreto sin acelerante. Esta caída de resistencia puede ser mayor dependiendo la composición química del acelerante. Por lo tanto siempre se debe de mantener al mínimo su dosificación (consumos menores en superficies verticales que sobrecabeza

Entre los tipos de acelerante utilizados se puede mencionar:- Silicato de sodio (Waterglass)- Aluminatos (de sodio o potasio o mezcla de ambos)- Libres de Alcalis

Aceleradores libres de álcalisLas consideraciones ecología, salud y seguridad se han vuelto muy importantes en el empleo de los acelerantes para concreto lanzado tendiendo a la eliminación de productos agresivos. En países como

Francia, Suiza, Hong kong, Australia, Brasil, etc. No se permite emplear ningún tipo de acelerante que contenga aluminatos debido al riesgo que implica para la salud del trabajador.

Adicionalmente los mayores requerimientos de durabilidad y resistencia que se le exige al concreto hoy en día, que con los acelerantes alcalinos no es posible conseguir. Con ello forzó a la industria a la creación de productos con mejor desempeño y menos agresivos con la salud.

Hoy en día existen los aditivos libres de álcalis, que proporcionan seguridad, mejor calidad del concreto, por lo que no deben de seguirse utilizando productos agresivos como los tradicionales aluminatos o silicatos

La resistencia a tempranas edades en el concreto lanzado como soporte de roca es crucial (entendiendo resistencia temprana como la resistencia del concreto antes de 24 horas después de su aplicación). Este es el periodo donde se realizan muchas actividades tales como barrenación, cargado de explosivo, retiro del material, soporte.

Seguridad, capacidad y economía han sido palabras clave en relación del desarrollo de altas resistencias a tempranas edades. Tradicionalmente los aceleradores disponibles eran aluminatos o silicatos. Dosificaciones muy altas de cualquiera de los dos han resuelto gran numero de situaciones difíciles en soporte de roca. Con un efecto negativo en una substancial perdida de resistencia final, además de crear un ambiente de trabajo insalubre y dañino. Principalmente los aluminatos que son muy agresivos para el personal. Con los aditivos acelerantes libres de álcalis disponibles hoy en día se puede obtener la resistencia requeridas las desventajas arriba mencionadas anteriormente.

Con algunos aditivos libres de álcalis se puede obtener una ganancia de 1Mpa (10 kg/cm2) por hora como es el caso de la línea MEYCO SA con una resistencia final muy superior ( hasta 50% mayor) y un mejor ambiente de trabajo que con los acelerantes tradicionales

La química de los aditivos libres de álcalis es mucho mas compleja por lo tanto son más caros que los acelerantes tradicionales, aunque el precio del acelerante afecta muy poco el precio total del concreto lanzado colocado en la pared, ya que intervienen otros factores como rebote, capacidad de colocación, avance de obra, espesor de capa, etc…

Mi muy personal punto de vista es que teniendo mejores alternativas en productos como acelerantes libres de álcalis no se deben de emplear acelerantes base aluminatos o silicatos.

MicrosíliceSin duda alguna uno de los mayores avances logrados en la tecnología del concreto lanzado en los últimos años, ha sido el desarrollo del concreto lanzado con humo de sílice.

La microsilice es un subproducto industrial proveniente en la producción de la industria del silicio o ferrosilicio. Recuperado de los gases del horno. En un principio su recuperación fue por razones ecológicas y tiempo después de descubrió de su utilidad en el concreto.

Su desempeño en el concreto es muy superior a otras puzolanas, y se dosifica entre 5 al 15 % del peso del cemento.

La microsílice es especialmente apta para concretos lanzados sometidos a un alto grado de exigencias, tanto en mezclas frescas como endurecidas tales como: impermeabilidad, resistencias mecánicas, resistencia a congelación y deshielo, y resistencia a ataque químico, como ocurre en algunos túneles de carreteras y protección de taludes en alta montaña, explotación minera, obras marítimas, instalaciones industriales en clima frío, mezclas de reparación y revestimiento de alta resistencia, etc.

No hay que considerar al humo de sílice como un solucionador de problemas, pero una mezcla bien diseñada, mezclada, aplicada y curada adecuadamente nos puede traer beneficios sustanciales como:- Mejoras sustanciales en la adhesión y cohesión del concreto en

estado plástico.- Mejora el bombeo- Menor desgaste de equipo- Mayor espesor de capas de concreto lanzado en una pasada- Mejora la resistencia al lavado cuando el concreto fresco se

aplica sobre zonas con filtraciones de agua o húmedas- Mejora la economía debido a la reducción del rebote

incrementando la productividad- Mejora la impermeabilidad del concreto - Mejora las resistencias a compresión y flexión - Mejora las resistencias a ciclos de hielo y deshielo, sales

descongelantes, reduce la penetración de cloruros y incrementa la resistencia al ataque químico

En el concreto reforzado con fibra:- Mayor facilidad de mezcla y distribución de fibras- Menor rebote de las fibras- Mejor adherencia entre la matriz cementante y las fibras

Fibras metálicas y sintéticas

Porque el concreto requiere refuerzo? Cuando al concreto simple (sin refuerzo) se somete a esfuerzos de tensión, ofrece muy poca resistencia y tolera muy poca carga antes de fallar. Esas propiedades hacen al concreto un material frágil, con una baja resistencia a la tensión y una muy pobre capacidad de deformación. Las grietas se pueden generar y propagar fácilmente en el concreto simple, con efectos no solo estéticos, sino afectando la durabilidad del concreto, y en algunas situaciones afectando la seguridad.

El concreto lanzado colocado en minas y túneles se encuentra sometido a grandes deformaciones, y con la pobre ductilidad que nos ofrece este material, en este tipo de aplicaciones puede presentar agrietamientos permanentes, filtraciones, menor durabilidad y pérdida en la capacidad de carga. La inadecuada resistencia al impacto puede ocasionar daños severos, en las aplicaciones de concreto lanzado, si un terreno inestable subitamente libera energía a través del desplazamiento de la roca u otras fuerzas.

El empleo de fibras dentro del concreto lanzado es un concreto conteniendo fibras discontinuas ayuda a mejorar la resistencia al agrietamiento, ductilidad, la absorción de energía y resistencia al impacto

Hay varios tipos de fibras: metálicas y sintéticas

Fibras Metálicas:Las fibras metálicas se utilizan en el concreto para incrementar su ductilidad, resistencia la impacto, reducción en la propagación de grietas

Estas fibras se fabrican de diversos maneras por lo que hay una gran variedad de formas y diámetros, longitudes y aleaciones. La ASTM A 820 clasifica a las fibras metálicas y según su origen en:- Alambre cortado en frío- Lamina cortada- Extracción a partir de una masa fundida- Otros

Los parámetros que describen la calidad de la fibra son:- Relación longitud / diámetro ( aspect ratio)- Resistencia a la tensión de la fibra- Forma geométrica

Y recuerde que no todas las fibras son iguales

Fibras sintéticas:Se fabrican fibras de diversos materiales tales como: - Polipropileno

- Nylon- Polietileno- Acrílicas- Carbono

Aunque básicamente son elaboradas de polipropileno y nylon. Y pueden ser monofilamentos (fibras individuales separadas, de formas redondeadas, lisas) ó fibriladas (fibras unidas, con forma angular ).

Refuerzo con fibra:Bajos volúmenes de fibra sintética fibriladas o monofilamentos ( 0.1 a 0.3 % en volumen, 1 a 3 kg/m3) se usan para- Reducción del agrietamiento por contracción plástica- Reducción del agrietamiento por asentamiento plástico- Disminuyen la migración de agua- Muy pequeñas mejoras la resistencia al impacto

Nótese que estos beneficios se producen siempre sin importar que se usen o no otros sistemas de refuerzo.

Altos volúmenes de fibras sintéticas monofilamentos ( 0.9 a 1.3% de 7 a 12 kg/m3) o altos volúmenes de fibras de acero ( 0.45 a .75% volumen 35 a 60 kg) se utiliza para obtener:- Remplazo de malla de refuerzo- Incremento en la resistencia al impacto- Poder soportar carga después del agrietamiento del concreto- Disminuir el agrietamiento por la contracción del concreto

La cantidad de fibras es sumamente importante, pero las fibras que quedan en el concreto colocado son las fibras que trabajan.