NUEVOS HORIZONTES PARA EL CONCRETO LANZADO
Ingeniero Raúl Bracamontes Jiménez
| PRESENTACIÓN:
La utilización de humo de sílice como material cementante constituye una
tecnología que abre nuevos horizontes en el diseño y las aplicaciones
del concreto lanzado. Así lo afirma el autor de este artículo, que muestra
los logros obtenidos en nuestro país al aplicarla para la estabilización
de roca en minería, tunelería y obras subterráneas.
Un poco de historia La tecnología del concreto lanzado tuvo su origen a comienzos de siglo, cuando el doctor Cal Ethan Akeley, naturalista norteamericano, reparaba el museo abierto de ciencias naturales de Chicago. En esa ocasión, el científico inventó una máquina de doble cámara presurizada para proyectar mortero por vía seca, en la que el agua era acondicionada en la boquilla a fin de humedecer el material antes de su consolidación neumática en la superficie en que se aplicaba. Su finalidad era forrar las figuras de animales prehistóricos, ya que con el cimbrado convencional no podía lograr las formas irregulares de los músculos de estos animales. El proceso fue patentado por la Cement Gun en el año 1911 con el nombre de Gunita. En los años que siguieron se introdujeron muchas marcas nuevas tales como Guncrete, Pneucrete, Blastcrete, Biocrete, Jetcrete, para describir procesos similares. En la década de los treinta surgió el término Shotcrete, empleado por la American Raitway Engineering Association para describir el proceso de Gunita, aunque actualmente se lo utiliza en Estados Unidos para referirse a morteros y concretos lanzados. En los años cincuenta se creó en Estados Unidos la máquina de Rotor, sobre la base de una patente holandesa de 1929 que posteriormente se perfeccionó en Suiza y permitió la incorporación de agregado grueso en la mezcla. Este sistema es el que predomina en las máquinas actuales de colocación de concreto por vía seca debido a su alto rendimiento, solidez y facilidad de operación. Las máquinas de concreto lanzado por vía húmeda se desarrollaron en los cuarenta. En este método, el agua y los aditivos (excepto acelerantes) son adicionados antes de que la mezcla sea transportada, y se inyecta aire adicional en la boquilla para incrementar la velocidad en función de su proyección contra la superficie, agregando el aditivo acelerante en la misma. Hoy día, la tecnología del concreto lanzado continúa desarrollándose gracias a la creación de nuevos aditivos superplastificantes, el humo de sílice, fibras, materiales refractarios, máquinas de control remoto, etcétera. Responde así a nuevos y mayores retos ingenieriles, ampliando su uso para diversos tipos de obras.
(CUERPO DEL ARTÍCULO:)
Según el ACI 506 R, el concreto lanzado "es un mortero o concreto transportado por algún medio, vía húmeda o vía seca, a través de una manguera y proyectado neumáticamente a una gran velocidad contra una superficie". En cuanto a su elaboración, utiliza los mismos ingredientes que el concreto convencional: agua, cemento y agregados. Se trata simplemente de un sistema de colocación de concreto cuyas principales diferencias con la forma tradicional son las siguientes: a) Se coloca y compacta por impacto de manera simultánea, en vez de colocarse primero y luego compactarse por vibración, como es el caso del concreto tradicional. b) El tamaño máximo del agregado es de 3/8 ". c) La relación agua/cemento es por lo regular baja (0.4), y la resistencia, cuando se coloca adecuadamente, es mayor. d) Tiene mayor adherencia a diversos materiales. e) Requiere una cantidad mayor de cemento: de 360 a 500 kg/m3. f) Su composición es diferente de la que sale de la boquilla debido al rebote contra la superficie. El concreto lanzado ha demostrado tener muchas ventajas en trabajos subterráneos tales como túneles y obras de minería. Entre sus usos principales está el de servir como soporte o como protección: en el primer caso, la mezcla empareja la superficie para la aplicación posterior de un recubrimiento impermeable, y en el segundo, se la utiliza para recubrir, sujetar y proteger la impermeabilización. De todas sus aplicaciones, la más importante es la consolidación de roca mediante el soporte de la superficie excavada que se logra al rellenar sus irregularidades y generar un revestimiento integral.
Concreto lanzado con humo de sílice El humo de sílice es un subproducto de la industria metalúrgica que proviene de la reducción de cuarzo por carbón en hornos de arco eléctrico. Se obtiene al ser recuperado de los gases del horno que salen por la chimenea. El humo de sílice se condensa en partículas esféricas microscópicas de 0.15 micrones promedio. En comparación con el cemento es cien veces más fino y su composición química tiene entre 85 y 98 por ciento de sílice (SIO2). Es muy superior a otras puzolanas, por ejemplo el fly ash, cuyo contenido de sílice es de 40 a 60 por ciento. En el caso del cemento, este contenido alcanza de 17 a 25 por ciento. Las puzolanas son materiales de sílice o sílice aluminio que por sí solos poseen poco o ningún valor cementante, pero que al estar finamente divididos y en presencia de humedad, reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio formando compuestos con propiedades cementantes. El hidróxido de calcio es un producto secundario de la reacción de hidratación del cemento; es el componente más soluble y frágil. Sin embargo, las puzolanas reaccionan con él formando silicatos hidratados que son la parte resistente e insoluble del concreto. Al utilizarse humo de sílice, éste actúa de dos maneras principales; como filler, consigue una gran compasidad y aumenta por lo tanto las resistencias y la permeabilidad, y como puzolana, se combina con el hidróxido de calcio formando silicatos hidratados, con lo cual disminuye la porosidad e incrementa las resistencias físicas y químicas.
Una aplicación a manera de ejemplo En la mina Proaño del grupo Peñoles, en la ciudad de Fresnillo, Zacatecas, era necesario consolidar la roca para evitar derrumbes, sellar algunas filtraciones de agua, reforzar fallas geológicas y proteger la roca del intemperismo. Todo ello para lograr una mayor seguridad en los trabajos de minería con la protección del personal y el equipo. Se utilizaron anclas incrustadas en la roca con mallas de acero de refuerzo y concreto lanzado vía seca para formar un anillo autotransportante, resistente a las condiciones del trabajo. Se analizaron las propiedades físicas de los agregados y se obtuvieron los siguientes datos:
Grava no triturada Grava de río triturada Arena triturada Tamaño máximo 3/8’’ --- Densidad 2.41 kg/l 2.45 kg/l Absorción 4.61 % 4.23 % Peso volumétrico suelto 1 198 kg/m3 1 409 kg/m3 Peso volumétrico varillado 1 342 kg/m3 1 562 kg/m3 Contaminación supra-tamaño 0.35 % --- Contaminación infra-tamaño 0.26 % --- Pérdida por lavado --- 4.29 % Módulo de finura --- 2.84
Después de analizar las propiedades físicas de los agregados, se procedió a hacer un diseño de mezcla para un f’c = 250 kg/cm2, tomando en cuenta la curva granulométrica del ACI 506 R con la graduación número 2 para combinar los agregados. Se utilizaron inicialmente 400 kg de cemento portland tipo 1 y una dosificación de aditivo acelerante al 3 por ciento en relación con el peso del cemento, adicionándosele humo de sílice con una dosificación al 10 por ciento en relación con el peso del cemento. La dosificación fue la siguiente:
Material Sin humo de sílice Con humo de sílice Cemento tipo 1 400 kg/m3 400 kg/m3 Humo de sílice --- 40 kg/m3 Grava de 3/8 ‘’ 640 kg/m3 640 kg/m3 Arena 969 kg/m3 969 kg/m3 Agua 180 kg/m3 180 kg/m3 Acelerante si al 3% si al 3% Fibra* 20 kg 20 kg |
*
Se utilizó fibra metálica de una pulgada en algunas partes del trabajo
del lanzado para mejorar las propiedades del concreto.
La alta calidad del concreto lanzado requiere la correcta dosificación de acelerantes, humo de sílice, agregados, cemento y agua. Difícilmente se pueden conseguir las especificaciones si no se mantiene un correcto dosificado y mezclado de estos componentes.
Resultados obtenidos Para medir los resultados a compresión a 28 días fue necesario lanzar concreto en unas charolas metálicas de las que se extrajeron posteriormente cuatro cubos de 5 × 5 cm (dos con humo de sílice y dos sin humo de sílice) para su prueba a compresión. Esta prueba se realizó de acuerdo con la norma ASTM 109-92.
Datos Sin humo de sílice Con humo de sílice Peso (gr) 284 282 293 301 Área (cm2) 27.56 27.04 27.56 27.04 Carga (kg) 9 650 11 350 17 250 15 000 Esfuerzo (kg/cm2) 350 420 626 555 Esfuerzo promedio 385 591 (kg/cm2)
Al utilizar el humo de sílice en el concreto lanzado se obtuvieron diversas ventajas, entre las que se cuentan las siguientes: En el concreto fresco . Disminución del rebote en 20 por ciento aproximadamente aún sobre cabeza, logrando una mayor economía al disminuir el desperdicio de material. . Aumento de la coesión de la mezcla al lograr espesores de capa mayores con una aplicación, lo cual evita la necesidad de varias capas subsecuentes para llegar al espesor requerido, reduciendo así el costo de la aplicación. . El incremento aproximado en el espesor fue el siguiente: sobre cabeza 80 por ciento y en vertical, 60 por ciento. . Reducción de la exudación o sangrado del concreto. En el concreto endurecido . Mayor densidad . Incremento de las resistencias a compresión . Incremento en la impermeabilidad del concreto . Incremento en la resistencia a los sulfatos . Mayor durabilidad . Mayor resistencia a la corrosión Como se observa en los resultados obtenidos, el humo de sílice puede ser utilizado como material cementante sustituto de parte del cemento para obtener resultados especificados con menores cantidades de cemento. El empleo de esta tecnología abre nuevos horizontes en cuanto al diseño y aplicaciones del concreto lanzado, ya que debido a la gran resistencia que desarrolla se pueden lograr menores espesores del concreto con función estructural. Además, se encuentra disponible en nuestro país para satisfacer las necesidades del constructor.
Bibliografía l. American Concrete Institute. ACI 506R-90. Guide to shotcrete. 2. ____, ACI 506R-84. State of the art report on fiber reinforced shotcrete. 3. ____, ACI 506r-95. Specification for shotcrete. 4. De la Torre, Roberto L., "Concreto lanzado...¿húmedo o seco?", Noticreto, núm. 14, diciembre de 1989. 5. Morgan,, Dudley R., "Procedimientos y aplicaciones del concreto lanzado", Seminario Internacional de Concreto’96. 6. Schumperti, Ernesto, Concreto del año 2000, nueva generación de aditivos, Sika andina. 7. Holland, Terence C.,"Workingwith silica fume concrete", Concrete Construction Magazine, The Aberdeen Group, marzo de 1987. 8. Sika al día 9, Hormigón proyectado, Sika, Chile. 9. Sika información, Sika in tunnels. 10. Bracamontes, Raúl, "Los concretos de alto comportamiento", ponencia en Concreto’97. 11. ASTM C 618-95, Standard specification for fly ash and raw or calcines natural pozzolan for usa as a mineral admixture in portland cement concrete.
El ingeniero Raúl Bracamontes Jiménez es ingeniero de producto en Sika Mexicana, S.A. de C.V. |