Si, con base en el estudio y análisis de la estructura, se determina que sus condiciones actuales no resultan satisfactorias para el uso que se le está dando, la misma puede tener problemas estructurales, estéticos, o incluso una combinación de ambos. Antes de iniciar cualquier reparación, es necesario determinar las causas del deterioro, que pueden ser muchas y muy variadas: mal diseño, cambio de uso de la estructura, malos materiales, deficientes prácticas constructivas, exposición a medios agresivos, exceso de cargas, accidentes y otras. Una vez hecho esto, hay que evaluar si lo que ocasionó el daño sigue afectando la estructura. Después, se deben elegir los materiales adecuados así como los métodos y sistemas apropiados para la reparación, preparar la superficie de aplicación y ejecutar los trabajos para poner la estructura nuevamente en servicio.

Los ahorros del concreto lanzado se logran en la reducción del rebote, una mejor calidad y un ambiente más sano de trabajo

¿Por qué el concreto lanzado?

El concreto lanzado no es algo nuevo, pero su uso y sus aplicaciones se han ampliado gracias a los avances que ha habido en la tecnología del concreto, los aditivos y los equipos. Entre las principales características que lo hacen un material excelente para la reparación y rehabilitación de estructuras –generalmente mejor que el concreto colado en sitio– se cuentan su excelente adherencia a materiales tales como concreto, roca, madera y acero, lo que permite colocarlo tanto en superficies verticales como sobrecabeza. El concreto lanzado aplicado correctamente, vía húmeda o vía seca, es un material de construcción sólido y durable, del que se puede obtener un concreto denso, con relaciones agua/cemento bajas, de alta resistencia, baja absorción, buena resistencia al intemperismo y buena adherencia al substrato, entre otras.

Su empleo se debe a razones de costo o conveniencia, al desarrollo de resistencia a edades temprana y final, a su flexibilidad en la aplicación. Ofrece ventajas en diversas situaciones, por ejemplo, cuando se dan las siguientes circunstancias: · El costo de la cimbra es muy caro o se requieren cimbras con formas imprácticas · Se puede reducir el número de cimbras o eliminarlas · El acceso al área de trabajo es difícil · Se requieren espesores variables, o es necesaria la aplicación en capas delgadas · No se pueden utilizar los métodos tradicionales de colocación Vía seca Se mezclan cemento, agregados –secos o con una humedad natural de 3 a 6%–, fibras metálicas, si están especificadas, y, en su caso, aditivos en polvo –por ejemplo, microsílice–, hasta conseguir una perfecta homogeneidad. La mezcla se carga en la máquina lanzadora, en ese momento se pueden agregar los aditivos acelerantes en polvo para conseguir resistencias iniciales altas y disminuir el rebote.

El equipo introduce el material hacia la manguera, mediante el uso de aire comprimido. El material es transportado a gran velocidad por el aire comprimido hacia la boquilla. En ésta se introduce por un anillo perforado agua a presión y, si se necesita, un aditivo acelerante líquido, mezclándose con los demás ingredientes. Cuando la mezcla ya húmeda se lanza a alta velocidad desde la boquilla hacia la superficie, se compacta con la colocación. Vía húmeda En el concreto lanzado vía húmeda se mezclan el cemento, los agregados, el agua, las fibras tanto metálicas como de polipropileno y los aditivos, exceptuando el acelerante, hasta conseguir una mezcla homogénea, con la trabajabilidad adecuada y el revenimiento mínimo para poder ser bombeada.

El concreto o mortero se carga en la tolva de la máquina lanzadora y se introduce hacia la manguera de transporte. El material se transporta hacia la boquilla por presión hidráulica, desplazamiento mecánico similar al del concreto bombeado (flujo denso) o mediante aire comprimido (flujo diluido). Se inyecta en la boquilla aire comprimido para incrementar la velocidad, a fin de descompactar y acelerar el material; es allí donde los aditivos acelerantes se adicionan habitualmente. Al proyectarse a alta velocidad contra la superficie, el concreto o mortero se compacta junto con la colocación. El concreto lanzado vía húmeda necesita que se agreguen aditivos acelerantes en la boquilla.

El primer efecto que esto produce es la eliminación del revenimiento (obtención de una consistencia seca) mientras el material se encuentra en el aire. Así, al impactarse contra la superficie, el concreto se adhiere a ésta e incrementa el espesor de la capa que se está colocando. Esta reducción de revenimiento ocurre en segundos. No hay que perder de vista que, a mayor relación agua/cemento, se necesita una mayor dosificación de aditivo acelerante para evitar el desprendimiento al aplicarse en superficies verticales o sobrecabeza. Cementantes Antes de 1980 hubo muy pocas variedades de materiales cementantes; en los trabajos de reparación se utilizó el cemento portland.

La excepción fue el cemento de alta alúmina, empleado en aplicaciones refractarias. Con la incorporación de materiales cementantes suplementarios, tales como fly ash, microsílice y puzolanas, se crearon nuevos cementos que han tenido gran aceptación y excelentes en los trabajos de reparación. Para elaborar los concretos y morteros lanzados, se pueden emplear todos los cementos portland existentes en el país que cumplan con la norma NMX-C-414-ONNCCE. La elección del tipo se hará según las necesidades de durabilidad y resistencia particulares de la obra. Fly ash El fly ash se ha usado en las mezclas húmedas de concreto lanzado por las mismas razones que se lo emplea en el concreto tradicional, es decir: · Mejora la trabajabilidad y bombeabilidad de la mezcla, aun con fibras · Reduce el calor de hidratación del concreto, lo cual disminuye el riesgo de un agrietamiento térmico en secciones de gran espesor · Reduce las reacciones de álcali-agregado · Incrementa la resistencia al ataque de los sulfatos

Microsílice La microsílice es un subproducto de la industria del silicio o ferrosilicio. Se obtiene de los gases del horno de arco eléctrico donde se realiza la reducción de cuarzo por carbón. En un principio su recuperación se hizo por razones ecológicas, y tiempo después se descubrió su utilidad para el concreto. La aplicación de microsílice en morteros y concretos se inició en Noruega en los años setenta, pero su difusión en Europa y Estados Unidos se produjo alrededor de los ochenta. Una dosificación de microsílice entre un 5 y un 15 % sobre el peso del cemento en la mezcla trae consigo ventajas, entre las que se cuentan las siguientes:

La microsílice se ha empleado en innumerables trabajos de reparación en todo el mundo, por los beneficios que ofrece. Puzolanas Las puzolanas son materiales de silicio o silicio aluminio, de origen natural o industrial. Por sí solas poseen poco o ningún valor cementante, pero al estar finamente divididas y en presencia de humedad, reaccionan con el hidróxido de calcio del cemento, formando así compuestos con propiedades cementantes. El hidróxido de calcio, un producto de la reacción de hidratación del cemento, es su componente más soluble y frágil.

Sin embargo, las puzolanas reaccionan con él y forman silicatos hidratados, que son la parte resistente e insoluble del concreto. Se obtienen así beneficios similares a los del fly ash. Agregados Los agregados ocupan por lo menos tres cuartas partes del volumen de concreto, y por ello 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 físicas y químicas afectan tanto la durabilidad como el comportamiento del concreto recién mezclado y del endurecido, así como las proporciones de la mezcla y la economía. Deben cumplir con los requerimientos de la norma ASTM C 33.

Las que siguen son las funciones principales de los agregados:

a) Dar un relleno económico para el material cementante, los agregados son más baratos que el cemento.

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

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

Contar con una arena bien graduada es importante para tener la adecuada cantidad de finos que garantice un bajo rebote, así como la suficiente cantidad de gruesos para obtener una buena compactación. El ACI 506 R define tres granulometrías diferentes para su aplicación en el concreto lanzado, como puede observarse en la tabla

1. La granulometría 1 es básicamente agregado fino –arena–; se emplea en los siguientes casos:

Para acabados, se pueden utilizar arenas más finas que las recomendadas en la granulometría 1, pero habrá que considerar que el uso de agregados finos genera una mayor contracción por secado, mientras que los agregados gruesos tienden a producir mayor cantidad de rebote.

La granulometría 2 contiene mayor cantidad de agregados gruesos (relación arena/grava, 70/30), ideal para la mayoría de los trabajos de concreto lanzado y para reparaciones con espesores que sobrepasan los 50 milímetros.

El empleo de la granulometría 3 es limitado; rara vez se usa en trabajos de reparación por el tamaño del agregado, pero también porque su rebote es muy peligroso.

Acelerantes

Los aditivos acelerantes se han empleado durante muchos años, pero esto no indica que todos los concretos lanzados deban usarlos; sin embargo, algunos de los beneficios que nos brindan son los siguientes:

La dosificación del acelerante varía de acuerdo con la habilidad del lanzador, la superficie y la relación agua/cemento, entre otros factores. A mayor relación agua/cemento, mayor dosificación de aditivo acelerante para evitar que se desprenda al aplicarse en superficies verticales o sobrecabeza.

Lamentablemente, la mayor parte de los aceleradores tienen efectos adversos sobre las propiedades del concreto –por ejemplo, la reducción de la resistencia final–, en comparación con un concreto que no los contiene, por lo que el consumo de aditivo acelerante se deberá reducir al mínimo –menor cantidad en muros que sobrecabeza.

Existen actualmente en el mercado diversos tipos de acelerantes para concreto lanzado:

Las preocupaciones ecológicas y de seguridad han llevado a la reducción del uso de productos agresivos como son los aluminatos.

Los requerimientos de durabilidad de las estructuras de concreto se han incrementado, por lo que deben reducirse al mínimo la pérdida de resistencia final, así como el incremento de la contracción por secado, el incremento de la porosidad y la permeabilidad y la disminución de la resistencia al ataque químico causada por los aceleradores altamente alcalinos.

Esto ha llevado a la industria a desarrollar productos con mejor desempeño, los acelerantes libres de álcalis.

Estos acelerantes libres de álcalis y no cáusticos, que se encuentran disponibles en el mercado, proporcionan seguridad, un ambiente más sano para el trabajador y un concreto lanzado de mejor calidad, por lo que no deben emplearse productos peligrosos como son los aluminatos tradicionales y/o los cáusticos silicatos.

Debido a la compleja química que se requiere para fabricarlos, estos acelerantes libres de álcalis son ligeramente más caros que los aceleradores tradicionales. Sin embargo, el precio del acelerante influye muy poco en el precio del metro de concreto lanzado. Los grandes ahorros se logran con la reducción del rebote, con mejoras en la calidad del concreto y con ambientes más saludables para trabajar.

Cuando empleamos un aditivo acelerante hay que recordar que “cementos con distintas composiciones reaccionan distinto”, aunque la composición química no es el único factor que determina la reactividad de un cemento, ya que su fraguado está particularmente influido por su finura –el tamaño de su partícula–, por la relación agua/cemento y la temperatura. Por lo anterior, es muy importante hacer pruebas previas para determinar las dosificaciones óptimas.

Fibras

El concreto lanzado con fibras se desarrolló para la estabilización de rocas y túneles, pero pronto encontró aplicación en el área de reparación. El concreto tradicional, al igual que el concreto lanzado sin fibras, es un material frágil que no resiste los esfuerzos de tensión, presentando agrietamientos.

Algunas de estas causas son:

En la mayor parte de los trabajos de reparación con concreto lanzado, es necesario incorporar un refuerzo, como el tradicional acero que se emplea en los concretos tradicionales, la malla electrosoldada y, actualmente, las fibras metálicas o sintéticas que forman un “refuerzo de tensión discontinuo”.

La adición de fibras proporciona al concreto propiedades especiales, las cuales dependen de la cantidad y el tipo de fibra ( naturaleza del material, proceso de manufactura, dimensión y forma).

La razón principal de adicionar fibras, tanto al concreto como al concreto lanzado, es proporcionar ductilidad a un material frágil.

Entre los parámetros más importantes para describir la fibra se encuentran los siguientes:

Las que siguen son las características más importantes en el comportamiento del concreto lanzado con fibra:

A mayor relación l/d y mayor volumen de fibra en el concreto, mejor desempeño en cuanto a resistencia a la flexión, resistencia al impacto, ductilidad, resistencia al agrietamiento. Lamentablemente, a mayor relación l/d y mayor volumen de fibra, mayor dificultad para mezclar, transportar y colocar el concreto.

Fibras metálicas

Cuando se adicionan fibras metálicas a la mezcla de concreto lanzado, al endurecerse ésta se obtiene un incremento de la ductilidad, de la capacidad de absorción de energía, de la resistencia al impacto y de la resistencia a la flexión, entre otras propiedades.

Al emplear fibra metálica no se debe causar ningún problema adicional; es preciso mantener la dosificación exacta de fibra, la calidad de las fibras debe garantizar el uso óptimo y el mejoramiento de la calidad final del concreto, y la pérdida de fibras por rebote tiene que mantenerse al mínimo –su dosificación está entre 30 y 60 kg /m3.

Una ventaja que ofrece el concreto lanzado con fibras metálicas es que, mientras la pasta de cemento mantenga su natural pH alcalino y permanezca libre de grietas, no sufrirá deterioro. La corrosión de algunas fibras sólo se presentará conforme avance la carbonatación de la superficie del concreto, pero, si esto sucede en un concreto lanzado de buena calidad, tardará varios años en penetrar unos pocos milímetros.

No obstante, si la corrosión no se permite por cuestiones estéticas, se puede aplicar como acabado una capa delgada de concreto lanzado simple.

Otra de las ventajas que ofrece este método es la eliminación del problema de las «sombras» (rebote atrapado atrás del acero de refuerzo que crea una zona débil) y oquedades, que en algunas ocasiones se presenta en trabajos de concreto lanzado con refuerzo. Esos defectos ocurren generalmente por alguna de las siguientes circunstancias:

Por lo anterior, se puede apreciar que el concreto lanzado con fibras resulta “más amigable” y previene problemas potenciales causados por un lanzador inexperto.

Fibras sintéticas

Las fibras sintéticas se emplean hoy ampliamente en trabajos de reparación realizados con aplicación de concreto lanzado vía húmeda. Se han utilizado principalmente las fibras de polipropileno, pero existen también otras.

Hay dos tipos de fibras, polifilamentos y monofilamentos.

Las primeras sólo nos ayudan a edades tempranas, cuando el concreto está en estado fresco, se dosifican a razón de 1 a 6 kg/m3, principalmente para evitar el agrietamiento por contracción plástica, hacen más cohesivo el concreto y ayudan a mejorar el acabado, pero una vez endurecido el material, no aportan ningún refuerzo.Las segundas, monofilamentos, se dosifican entre 8 y 14 kg /m3, soportan esfuerzos de carga/deformación y tienen una absorción de energía similar a las fibras metálicas.

Otra de las ventajas de estas fibras es que no sufren corrosión y mantienen su integridad en ambientes agresivos.

Diseño de mezclas

El diseño de la mezcla es el proceso de combinar los componentes del concreto –cemento, agregados, agua, fibras y aditivos– en proporciones predeterminadas para lograr un propósito particular. No es una combinación de materiales al azar.

Por lo regular, el diseño de mezcla para el concreto lanzado se basa en la resistencia a la compresión, aunque, en aplicaciones especiales, pueden requerirse otras propiedades, tales como impermeabilidad o durabilidad.

Es importante tomar en cuenta, entre otras, las consideraciones siguientes para obtener el mejor diseño de mezcla:

Una vez determinadas las necesidades propias de la obra, así como las cantidades adecuadas de materiales, la dosificación y el mezclado son pasos extremadamente importantes para obtener un concreto lanzado de calidad (véanse los ejemplos de la tabla 2).

En algunos trabajos de reparación vía húmeda se emplean también aditivos inclusores de aire, como ayudas de bombeo y como protección contra ciclos de congelación y deshielo.

Es muy importante hacer pruebas previas, específicas para cada proyecto, principalmente cuando no se tiene ninguna experiencia con los materiales de la zona. Este proceso requiere de tiempo, en algunas ocasiones hasta 45 días; según la complejidad de la reparación, puede requerir más pruebas y mayor tiempo. No es un ejercicio de laboratorio, sino una prueba de campo, que se realiza colocando el concreto en paneles, con el equipo, personal, materiales y condiciones que se esperan en la obra.

Preparación de la superficie

Entendemos por preparación del elemento todos los procedimientos realizados antes de la limpieza superficial y de la aplicación de los materiales y productos de reparación.

Entre esas acciones se puede mencionar las siguientes:

Antes de la reparación, la superficie debe estar rugosa, sana, limpia y libre de partículas sueltas, aceites, oxidación, grasa, algas, pintura, membranas de curado, material deteriorado o débil que puedan interferir con la adherencia, principalmente con el refuerzo y los anclajes.

Si la causa del deterioro es la oxidación del acero embebido en el concreto, es muy importante remover todos los productos de la oxidación, determinar si no hace falta reemplazar el acero de refuerzo y demoler detrás de éste como mínimo 20 mm para recubrirlo con el concreto lanzado.

Esto nos ayudará a:

Si la superficie de concreto está sana y lisa, debe escarificarse mediante picado, escarificado, chorro de agua a presión, sand blast u otros medios mecánicos.

A continuación, se limpia la superficie con aire y/o agua a presión para eliminar polvo y partículas sueltas. La superficie debe estar saturada al momento de la proyección de las mezclas, pero sin encharcamientos.

La mampostería, especialmente la de piedra natural, constituye también un soporte ideal para el concreto lanzado. En superficies de mampostería, la preparación es similar a la del concreto, se deben eliminar los restos de mortero y lechada, y habitualmente se trata con chorro de arena antes de aplicar el concreto lanzado. Debe saturarse completamente la superficie con agua debido a que la absorción es mucho mayor, pudiendo resultar en un severo agrietamiento y reducción de la adherencia del material lanzado.

Soporte

La naturaleza del soporte tiene una importancia primordial para la adherencia del concreto lanzado y la obtención de una reparación exitosa. Esta propiedad se garantiza únicamente por un fenómeno mecánico. Durante las primeras fracciones de se gundo del impacto del chorro sobre la superficie de aplicación, se forma una delgada capa compuesta de los elementos más finos de la mezcla, es decir, la pasta del cemento y la arena fina.

Esta capa no sólo sirve para incorporar los agregados más gruesos, sino que penetra también por la fuerza del impacto en las pequeñas irregularidades, los poros y las fisuras de la superficie de aplicación, logrando una excelente adherencia entre el concreto lanzado y su soporte una vez que ha fraguado el cemento.

Es importante que el sustrato no vibre, que soporte el impacto del chorro de concreto y el peso del material. Si se emplean cimbras, éstas se deben diseñar para que faciliten la salida del aire comprimido y el rebote durante la colocación.

Colocación

Al igual que todo método de construcción, el procedimiento de proyección se encuentra sometido a ciertos principios, principalmente en lo que respecta al manejo de la boquilla y a la composición del concreto lanzado.

El conocimiento y la observación de estos principios distinguen al lanzador experto del que no lo es.

El objetivo de la colocación de mezclas proyectadas es obtener un concreto o mortero compacto, resistente y bien adherido, reduciendo al mínimo la pérdida de material por rebote en una operación continua y uniforme.

En la aplicación por vía seca, el lanzador tiene la responsabilidad de controlar los siguientes factores:

El lanzador toma muchas decisiones durante la colocación, y por ello su habilidad, experiencia y entrenamiento se vuelven muy importantes. En el concreto lanzado vía húmeda, el lanzador sólo controla estos aspectos: · La cantidad de aire en la boquilla · La técnica de colocación, la distancia de la boquilla a la superficie y el ángulo de impacto · La cantidad de material, en la mayoría de los equipos (para esto debe establecer la debida comunicación con el operador del equipo) Aparentemente, el lanzador de vía húmeda tiene un reto fácil, en comparación con el lanzador de vía seca. Sin embargo, es importante recordar que, al no controlar el primero la mezcla de concreto, ésta debe tener la consistencia deseada antes de descargarla en la bomba.

Rebote

Una de las diferencias entre el concreto tradicional y el concreto lanzado es que en este último existe el rebote. El fenómeno del rebote se refiere a las partículas que golpean la superficie y no se adhieren a ésta. Es indudablemente la principal característica del concreto lanzado, necesaria para su correcta aplicación.

Los factores que afectan la cantidad de rebote son numerosos y muy variados. Se pueden mencionar, entre otros, la naturaleza y la composición de los agregados, el diseño de la mezcla, la superficie de aplicación, la presión de proyección, la habilidad del lanzador, el espesor de la capa y la cantidad de aditivo acelerante.

Durante 2 % de la colocación del material ocurre 90% del rebote. En las primeras fracciones de segundo del lanzado, las partículas de mayor tamaño, cubiertas con pasta, se impactan contra la superficie, quedando adherida a ésta sólo la pasta y rebotando las partículas de mayor tamaño. Conforme se incrementa el es pesor de pasta sobre la superficie de aplicación, se incorporan tamaños mayores de partícula y disminuye notablemente el rebote, aunque una parte del material sigue rebotando.

Acabado y curado

Otra de las ventajas del concreto lanzado es que ofrece una gran variedad de texturas para el acabado de la reparación, entre las que se pueden mencionar la textura rugosa natural propia del método, el escobillado, con llana de madera o llana metálica, con esponja o pulida.

El concreto lanzado requiere, como el concreto tradicional, el curado adecuado para desarrollar todas sus propiedades, situación que se vuelve más crítica cuando se emplean aditivos acelerantes.

Es muy importante proporcionar, durante un periodo definido, un ambiente húmedo con temperaturas apropiadas, previniendo la pérdida de agua, para lograr la hidratación adecuada del cemento y obtener las características deseadas.

Existen diversos procedimientos de curado del concreto, sobre los que el ACI 318 proporciona mayor información. Si se emplean compuestos o membranas de curado, éstos deben removerse en su totalidad antes de aplicar la siguiente capa, ya que pueden afectar la adherencia entre las mismas.

Una buena opción es el uso de aditivos de curado interno para concreto, ya que no requieren ningún trabajo adicional para la aplicación de la siguiente capa y no afectan adversamente la resistencia ni la adherencia, además de que permiten empezar a trabajar desde el primer minuto y garantizan un curado adecuado.

En todo el mundo se pueden encontrar reparaciones hechas con concreto lanzado, entre las que se cuentan las siguientes aplicaciones:

Es importante que la elección de este método se base en el conocimiento, en la experiencia y en el análisis de los materiales, las necesidades y las especificaciones del proyecto. Para obtener un buen resultado se requieren una buena planeación de la ejecución de la obra, una correcta supervisión y un aplicador con mucha experiencia y habilidad.

El concreto lanzado mal colocado puede ofrecer condiciones peores que las que se están reparando, por lo que la mano de obra experimentada es primordial para garantizar una buena aplicación

Bibliografía

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2. Morgan, D.R., “Shotcrete repair of infrastructure in North America”, presentado en el th Betoninstsndsetzung, 1997.

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5. Melbye, Tom, «International practices and experience with alkali-free, non caustic liquid accelerators for sprayed concrete», MBT International UGC Group.

6. “Shotcrete repair”, seminario 2473 de World of Concrete 2000.

7. Melbye, Tom, “Shotcrete for rock support”, MBT International UGC Group.

El ingeniero Raúl Bracamontes Jiménez es especialista en construcción subterránea de MBT México S.A. de C.V.