BASF Construction Chemicals España, S.L. Admixture Systems Basters, Palau-solitá I Plegamans (Barcelona) División UGC Admixture Systems

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1 TECNOLOGÍA BASF APLICADA AL HORMIGÓN PROYECTADO BASF Construction Chemicals España, S.L. Admixture Systems Basters, Palau-solitá I Plegamans (Barcelona) Tel: Fax: www. basf-cc.es División UGC Admixture Systems Tel.: Fax:

2 Introducción Pag. 3 El hormigón proyectado. Sistemas de proyección... Pag. 3 El hormigón proyectado por vía húmeda Pag. 5 Componentes y diseño... Pag. 6 Ensayos y control del hormigón proyectado.. Pag. 12 Equipos de proyección... Pag

3 INTRODUCCIÓN Un hecho bien conocido de la industria de la construcción -y en particular de la industria de la construcción subterránea- es que no hay un proyecto que sea igual a otro. Cada uno está condicionado por un sin número de parámetros y circunstancias que generan un grado de complejidad superior al de otras industrias, obligando a contratistas y a abastecedores a trabajar con una mente sumamente flexible. El hormigón proyectado posee ventajas enormes en su calidad de proceso de construcción y de soporte de rocas; ello, sumado al avance logrado en materiales, equipos y conocimientos de aplicación, ha hecho de esta técnica una herramienta muy importante y necesaria para los trabajos de construcción subterránea. En particular, la tecnología moderna del hormigón proyectado por vía húmeda ha ampliado el campo de trabajo de la construcción subterránea. Proyectos que en el pasado eran imposibles de llevar a cabo, son ahora viables. Independientemente del tipo de terreno, hoy en día es posible aplicar esta tecnología en cualquier condición. A pesar de que el uso del hormigón proyectado se ha generalizado en la construcción subterránea y el sostenimiento de rocas fundamentalmente, este material ofrece la posibilidad de una gran variedad de aplicaciones, entre las que destacan: - Recubrimiento de canales. - Reconstrucción y reparación. - Hormigón refractario. - Protección contra incendios. - Ejecución de vasos y depósitos. El hormigón proyectado es un método de construcción con futuro debido a sus características de flexibilidad, rapidez y economía EL HORMIGÓN PROYECTADO. SISTEMAS DE PROYECCIÓN Tal y como se establece en la Norma UNE ó UNE el Hormigón Proyectado se define como un hormigón cuyo tamaño máximo de árido es superior a 8 mm. y que aplicado a máquina, se proyecta a gran velocidad sobre una superficie a través de una manguera y boquilla. Define asimismo Mortero Proyectado como la mezcla cuyo tamaño máximo de árido está por debajo de 8 mm. Si bien se podría entender que el hormigón proyectado es un hormigón especial, lo cierto es que no es sino una manera más de colocar el hormigón. Al igual que ocurre con los métodos tradicionales de colocación, el hormigón proyectado requiere ciertas características particulares durante su puesta en obra, y al mismo tiempo requiere satisfacer todas las demandas tecnológicas normales del hormigón relación agua/cemento, cantidad de cemento, consistencia, etc

4 Actualmente existen dos métodos de aplicación para el hormigón proyectado: el proceso por vía seca y el de vía húmeda. Las primeras aplicaciones del hormigón proyectado se realizaron mediante la vía seca si bien hoy en día su empleo es muy limitado. En la proyección por vía seca, la mezcla de cemento y áridos se transporta por mangueras mediante la utilización de aire comprimido hasta la boquilla de proyección donde se incluye el agua necesaria para la hidratación del cemento. En la fabricación de la mezcla seca se utiliza usualmente una cantidad de conglomerante de entre 350 y 450 Kg por cada 1000 litros de áridos (en densidad aparente). Si bien, la relación agua/cementante tiene una influencia fundamental en la calidad de hormigón proyectado por vía seca, no existe un valor definido debido a que el operario de la boquilla es quien controla y regula la cantidad de agua que se incluye en la mezcla. No obstante, en la práctica el factor Agua/Cementante es bastante constante debido a que el alcance de la variación es limitado: si se agrega poco agua se crea un exceso de polvo; si se agrega demasiada, la gunita no se adherirá a la superficie. Un aspecto importante a tener en cuenta en la elaboración de mezclas secas es el contenido de humedad natural de los áridos. Si la mezcla está demasiado seca, la proyección produce una cantidad de polvo excesiva; si la humedad es demasiado elevada, el rendimiento disminuye, se producen atranques de las máquinas y mangueras y existe el riesgo de fraguado del hormigón en el interior del silo o la cuba. A pesar de los continuos desarrollos en la maquinaria y la especialización de los operarios, factores como la elevada generación de polvo, el alto porcentaje de rechazo y los bajos rendimientos de proyección hacen de la vía seca un método con demasiadas desventajas, sólo aplicable para casos excepcionales o volúmenes de hormigón poco importantes. La proyección por vía húmeda, el método más utilizado actualmente, se realiza con equipos especiales (robot de proyección) que bombean el hormigón preparado en planta con el agua y aditivos necesarios y que posteriormente es proyectado mediante la aplicación de aire comprimido en la boquilla. La proyección de hormigón por vía húmeda presenta innumerables ventajas: - Economía: La importante inversión que supone la adquisición de un equipo de proyección por vía húmeda queda contrarestada con la caída significativa del costo de colocación del hormigón proyectado y del tiempo de preparación por cada ciclo. A esto hay que sumar el rendimiento que estos equipos son capaces de obtener (en algún caso superior a 30 m 3 por hora) y el ajustado porcentaje del rebote de proyección (por debajo del 10%) - Calidad: Con el empleo de aditivos reductores de agua de última generación y microsílice o nanosílice, se puede obtener hormigones proyectados de muy altas resistencias a compresión, incluso superiores a 80 MPa. La proyección por vía húmeda permite conseguir una gunita de características muy homogéneas a lo largo de toda la obra - 4 -

5 - Ambiente y condiciones de trabajo: El método por vía húmeda mejora significativamente las condiciones de trabajo, trayendo mayor seguridad para los trabajadores de obra subterránea. Una de las situaciones que impulsó el desarrollo del método por vía húmeda fue el lanzamiento de la gunita bajo condiciones peligrosas. Los riesgos para la seguridad eran frecuentemente inaceptables sin un robot y más aún, si se emplean fibras metálicas

6 EL HORMIGÓN PROYECTADO POR VÍA HÚMEDA. COMPONENTES Y DISEÑO DE LA MEZCLA. En un gran número de ocasiones, que la proyección y aplicación del hormigón se realice de manera correcta y que la calidad del producto final sea óptima, depende en gran medida de un acertado diseño de la mezcla y de la elección correcta de los elementos necesarios para la producción del hormigón. A grandes rasgos, dichos elementos podrían ser: - Cemento: Se recomienda el empleo de cementos tipo CEM I 52,5 R o en su defecto I 42,5 R. Si el hormigón proyectado va a estar expuesto a ataques por sulfatos, será obligatorio el uso de cementos sulforresistentes - Áridos: Podrán ser naturales o de machaqueo. Lo habitual es utilizar una mezcla de un gravín y una arena, aunque en algún caso se requiere además, el empleo de una arena correctora. - Aditivos: Son un elemento fundamental a la hora de conseguir hormigones proyectados durables y de calidad. Los aditivos superfluidificantes son imprescindibles para conseguir mezclas con relaciones agua/cemento inferiores a 0,45 y consistencias fluidas. - Microsílice o nanosílice: Siempre es aconsejable incluirlo en la mezcla bien para reducir cemento o para mejorar las propiedades del hormigón. Se consigue una gunita más durable y con menor permeabilidad. - Acelerantes líquidos de fraguado: Posibilitan la proyección eficaz de de importantes espesores de capa sobre todo tipo de superficies, en vertical o sobre clave. Su dosificación va a estar íntimamente ligada a la calidad y diseño de la mezcla fresca. - Fibras: Su incorporación aporta al hormigón proyectado mayor energía de rotura a flexión y menor retracción del material. - Equipo de proyección apropiado: Existe una amplia gama de sistemas y equipos aplicables y adaptables a todas las obras de hormigón proyectado, desde la construcción de grandes túneles que requieren la proyección de grandes cantidades de hormigón, hasta pequeños trabajos de reparación. - Correcta ejecución de la técnica: La experiencia y capacitación del operario gunitador es fundamental cuando lo que se pretender es obtener un resultado óptimo. - Postratamiento: Es fundamental el correcto curado del hormigón proyectado, sobre todo en caso de gunitas de altas resistencias y con elevados contenidos en cementos y en el caso de túneles calados. A nivel individual, los aspectos que pueden influir en la calidad del material obtenido serían: - Baja relación agua/conglomerante - Ajustada cantidad de cemento - Bombeabilidad - Buena capacidad de colocación - 6 -

7 Además existen un sin número de parámetros que pueden influir en la calidad final del hormigón proyectado, que se han tratado de resumir en el siguiente esquema: CEMENTO ÁRIDOS DOSIFICADORA TIEMPO SUPERPLASTIFICANTES /ESTABILIZADORES FABRICACIÓN TRANSPORTE GUNITADO OPERARIO ACELERANTE AMASADORA CLIMATOLOGÍA DIRECCIÓN/ ÁNGULO DE APLICACIÓN AGUA PRESIÓN DOSIFICACIÓN ACELERANTE DETERMINACIÓN RESISTENCIAS ESPESOR DE CAPA SOPORTE TOMA DE MUESTRAS LITOLOGÍA EXTRACCIÓN DE TESTIGOS HUMEDAD TEMPERATURA ROTURA DE TESTIGOS Las diferencias entre las propiedades del hormigón fresco y del endurecido son particularmente pronunciadas en el caso del hormigón proyectado. Este hecho disminuye la calidad del hormigón proyectado por vía húmeda; la diferencia puede controlarse con el uso de aditivos reductores de agua, microsílice y fibras. Componentes y diseño de la mezcla 1.- Cementos Fig.1: Factores que afectan a la calidad del hormigón proyectado Los tipos, clases y categorías de los cementos utilizables para la fabricación del Hormigón Proyectado, son los que se indican en la Instrucción RC-03, si bien normalmente, los cementos a utilizar en el hormigón proyectado por vía húmeda son del Tipo I 42,5 R y 52,5 R. En casos de presencia de presencia de agua agresiva se deberán emplear cementos resistentes a los sulfatos

8 La acción de los aditivos acelerantes en el fraguado y endurecimiento del cemento difieren mucho en función de la clase y tipo de cemento (además de la cantidad de agua, temperatura ambiente, etc), por lo que se hace necesario la realización de ensayos previos. Hay que tener en cuenta además, que uno de los elementos que va a condicionar el periodo de trabajo o tiempo abierto del hormigón proyectado por vía húmeda, va a ser el tipo de cemento utilizado y su dosificación. No es recomendable el empleo de cementos cuya temperatura en el momento de la fabricación de la mezcla sea elevada. (superior a 40º C). 2.- Áridos La calidad del árido es un asunto primordial tanto para el hormigón fresco como para el endurecido. Tanto la forma como la naturaleza del árido, van a influir de forma importante en la trabajabilidad, bombeabilidad y calidad final de la gunita; los áridos rodados mejoran el bombeo de la mezcla respecto a los de machaqueo que además al tener mayor superficie especifica, requieren mayor cantidad de agua para conseguir la misma consistencia. Es importante que la distribución del tamaño de grano y el resto de parámetros sean lo más uniformes posibles. Particularmente importantes son la cantidad y las características de los finos (es decir, tamaño de grano y análisis de tamaño de grano). Usualmente se suele emplear el material disponible y se adapta la formulación al mismo; no obstante, para la proyección de mezclas húmedas habrá que tener en cuenta: - Tamaño máximo: El tamaño máximo de árido viene definido por el tamiz por el que pasa más del 90% en peso. El tamaño máximo recomendado para H. proyectado será 8-10 mm. debido a limitaciones del equipo de bombeo y también para evitar pérdidas por rechazo. Desde el punto de vista tecnológico se prefiere un valor superior de diámetro máximo (mayor resistencias a compresión). - Curva granulométrica de los áridos: Muy importante, especialmente en su sección inferior. El contenido de material fino en el tamiz nº 0,125 debe oscilar entre un límite inferior de 4-5% y uno superior de 8-9%. Las arenas con equivalente arena demasiado bajo, producen segregación, mala lubricación y riesgo de atascamiento. Un contenido elevado de material fino produce un hormigón cohesivo. Frecuentemente a la hora de diseñar una mezcla de hormigón proyectado, se combinan dos o más fracciones granulométricas, por ejemplo, 0-2, 0-4 y 5-10, ajustando la proporción entre ellos con objeto de elaborar una curva de granulometría que esté dentro de los límites de la curva ideal. La insuficiencia de material fino puede compensarse utilizando más cemento, microsílice o nanosílice; para paliar el exceso de dichos finos, se aumenta la dosificación de aditivos reductores de agua (con lo que se consigue compensar la mayor demanda de agua)

9 Curva granulométrica de los áridos (Huso Degussa recomendado para gunita) Tamiz Máximo Mínimo % pasa ,08 0,125 0,25 0, ,5 15,9 0,01 0, mm. 15, , , , , , Fig. 2: Huso BASF recomendado para hormigón proyectado Durante el almacenamiento y manipulación de los áridos, se debe tratar de eliminar las partículas de tamaño superior a 8-12 mm., ya que podrían bloquear la boquilla y dificultar la limpieza. 3.- Agua de amasado El agua de amasado es aquella que hay que añadir a la mezcla y que junto con el agua que aportan los áridos por humedad, dan el agua total de la mezcla. A la hora de calcular la cantidad de agua que requiere un hormigón partiendo de una relación Agua/Conglomerante prefijada, habrá que tener en cuenta también el coeficiente de absorción de los áridos. Según establece la Norma UNE el agua de amasado deberá cumplir con lo especificado en la Instrucción para el proyecto y la ejecución de obras de hormigón en masa o armado (EHE 98). 4.- Aditivos Para la fabricación del hormigón proyectado por vía húmeda, BASF Construction Chemicals dispone actualmente de una serie de aditivos que permiten confeccionar el hormigón proyectado a medida, en base a los requerimientos y especificaciones exigidas en cada proyecto. Los aditivos utilizados hoy en día pueden englobarse en la siguiente clasificación: - 9 -

10 - Superfluidificantes de la gama GLENIUM y RHEOBUILD, que confieren al hormigón proyectado propiedades tixotrópicas y cohexivas, actuando como coadyuvante de bombeo y reduciendo el agua de amasado hasta en un 30-40%. Por otro lado permiten tiempos abiertos de más de 1 hora a 25º C de temperatura ambiente, sin necesidad de emplear estabilizadores o retardantes. Mantienen la consistencia incluso con áridos absorbentes, cementos rápidos y altas temperaturas. No provocan retrasos de fraguado. Mejoran la impermeabilidad del hormigón, incrementando su durabilidad y mejorando las resistencias mecánicas iniciales. BASF Construction Chemicals además, ha diseñado la gama de aditivos POLYHEED, formulados para mejorar las prestaciones del hormigón proyectado tanto en estado fresco como en estado endurecido. Su acción especifica como coadyuvante de bombeo, permite a la vez, la fabricación de hormigón proyectado con un elevado tiempo abierto, cohesivo y perfectamente bombeable, incluso a largas distancias y con bajos contenidos de cemento, granulometrías deficientes y sin finos, mejorando los rendimientos de producción y reduciendo el desgaste de la maquinaria y la presión de bombeo. - Controladores de la hidratación del hormigón proyectado, SISTEMA DELVOCRETE: El aditivo DELVOCRETE ESTABILIZER, puede controlar la hidratación de las mezclas de hormigón proyectado por periodos de hasta 3 días, dependiendo de su dosificación. Este aditivo dispersado en el hormigón, controla la rapidez de hidratación formando un complejo de iones cálcicos en las superficies de las partículas de cemento. A diferencia de los retardantes los estabilizadores controlan la hidratación del silicato tricálcico C 3 S y del aluminato tricalcico C 3 A sin perdida de trabajabilidad. Estos tienen un doble papel: detiene la hidratación del cemento formando una barrera protectora alrededor de las partículas puzolánicas, y actúa como dispersante, previniendo así la floculación y endurecimiento de los hidratos. - Suspensión de nanosílice MEYCO MS 685 y MEYCO MS 685. Productos diseñados principalmente para mejorar la durabilidad del hormigón proyectado. Las características de estos productos son las siguientes: Durante la interacción con el cemento crea una red inorgánica reactiva que mejora la compacidad. Las partículas actúan como punto inicial de cristalización, reaccionando con la portlandita liberada en la hidratación del cemento, transformándose en material con propiedades conglomerantes, provocando una rigidización del esqueleto inorgánico acelerada mejorando: la hidratación del cemento, la compacidad de la gunita, el proceso de fraguado y endurecimiento, la capacidad anti-segregación, la

11 reacción árido-álcali en el hormigón (ya que su efecto de oxido ácido neutraliza este riesgo) y reduce la permeabilidad. - Los aditivos MEYCO TCC735 / 736 son curadores internos cuya función principal radica en mejorar las propiedades del hormigón proyectado. Mejoran la adhesión, resistencia a compresión y reduce la permeabilidad del hormigón proyectado. - Y por último, los aditivos Acelerantes de fraguado base aluminato y libres de álcalis. Tradicionalmente, se han utilizado aditivos para hormigón proyectados DELVOCRETE ACTIVADOR S-52, DELVOCRETE ACTIVADOR S-80 que permiten la aplicación de importantes espesores de hormigón proyectado, reduce considerablemente el rebote de proyección y por tanto permite un ahorro económico importante. El empleo de DELVOCRETE ACTIVADOR en los caso de hormigones proyectados estabilizados con DELVOCRETE ESTABILIZER E permite romper la barrera de protección y reactiva y acelera el proceso de hidratación de forma que los tiempos de fraguado son idénticos a los de una gunita tradicional. Estos aditivos acelerantes presentan elevado contenido de álcalis y un elevado valor de ph, caracteres muy poco deseables por la peligrosidad que entrañan. Son aditivos corrosivos y su uso implica, un riesgo intrínseco, tanto en la manipulación como en el almacenamiento. Se hacen necesarios silos especiales y cubetos de protección frente a derrames. Siempre subsiste un cierto riesgo en el trasiego del material, ya sea en cisternas o en bidones. El transporte de este tipo de aditivos está considerado como mercancía peligrosa en transporte por carretera, lo que implica un transporte especial, un costo superior y mayor riesgo en cualquier situación inesperada. El medio ambiente, y especialmente las aguas freáticas pueden ser gravemente afectadas, siendo capaces de llegar a contaminar el terreno por derrames, lixiviaciones, etc. Por este motivo, desde hace ya algunos años, BASF Construction Chemicals ha dedicado importantes esfuerzos al desarrollo de aditivos para hormigón proyectado tan efectivos como los tradicionales, pero sin las desventajas de aquellos en materia de seguridad y ecología. Los aditivos MEYCO SA 162, MEYCO SA 172 y todos los restantes de la gama alkali-free presentan excelentes rendimientos en hormigón proyectado a la vez que minimizan los riesgos en obra. No están clasificados como mercancía peligrosa, no precisan especiales cuidados en la manipulación y no presentan riesgo frente al medio ambiente

12 ENSAYOS Y CONTROL EN EL HORMIGÓN PROYECTADO Dada la importancia que el hormigón proyectado tiene como elemento de sostenimiento de la excavación, es sumamente importante la realización de ensayos previos a fin de garantizar tanto el producto final como la puesta en obra del mismo. Las exigencias y requerimientos (cada vez mayores) que se están solicitando, tanto mecánicos como de durabilidad y la multitud de variables que se pueden presentar a lo largo de la obra, hacen preciso tener bien caracterizados y estudiados cada uno de los elementos que están implicados en la fabricación y colocación del hormigón proyectado. Ninguna obra es exactamente igual a otra y en muchos casos, las soluciones o sistemas empleados no son extrapolables de una a otra. Los estudios previos, deben desarrollarse en laboratorio y principalmente en obra y se deberá incidir especialmente en la calidad y características de árido, cemento y aditivo y la compatibilidad y efectividad de todos ellos, y de esta forma establecer un criterio de cara a tener capacidad de respuesta ante posibles incidencias que surjan en la obra. Los ensayos en obra deberán realizarse antes de entrar en el túnel. Este paso previo es fundamental y su eliminación puede suponer que este deba ser realizado posteriormente, cuando estemos en el interior del túnel con los problemas e inconvenientes que lleva consigo. Una vez realizados los ensayos previos, sería recomendable realizar estudios de caracterización, con el fin de fijar un patrón de referencia ante posibles modificaciones posteriores en cuanto a componentes, dosificación o ejecución. El valor de la caracterización inicial tiene gran interés a la hora de contrastar cualquier variable. Valores por encima del patrón suponen dar validez a las modificaciones realizadas; valores inferiores traen como consecuencia la no aceptación de los cambios. Por último, se deberá hacer un seguimiento continuado o ensayos de control cuando el túnel se encuentra en producción. Con estos ensayos se pretende verificar el cumplimiento de las prestaciones especificadas, incidiendo lo menos posible en el proceso productivo. En estos ensayos de control será preciso poner especial atención al hormigón tanto en estado fresco (manejabilidad) como en estado endurecido (resistencias a compresión), ya sea en probetas moldeadas o en probetas testigo o bien de forma indirecta por medio de los ensayos de resistencia a la penetración, penetración-extracción o arrancamiento todo ellos recogidos dentro de la Norma UNE para el Mortero y Hormigón proyectado (UNE a ). Ensayos de determinación de la resistencia compresión en el hormigón proyectado Áreas A y B: Método del penetrómetro (UNE ).(<8h) Area C: Método de arrancamiento (UNE ) (6-48 h) Área D: Probetas testigo (UNE ).(> 10 N/mm 2 )

13 La determinación de resistencias por medio del Ensayo de arrancamiento es un sencillo proceso por medio del cual, se mantienen invariables las condiciones del objeto que debe ser analizado, al contrario de como ocurre con otros métodos de medida donde se necesitan muestras especificas para realizar el ensayo. Con el hormigón proyectado joven, los métodos tradicionales (como la extracción de testigos) pueden fallar y sólo se obtienen valores aceptables cuando las resistencias son superiores a 8 N/mm 2. Con el ensayo de arrancamiento a partir del empleo del SISTEMA MEYCO KAINDL, que utiliza pernos de tracción embebidos en el hormigón proyectado, se extraen muestras con las cuales el hormigón proyectado es analizado. A partir de la resistencia a tracción que se necesita para arrancar el perno y de las dimensiones del cono extraído, es posible determinar la tensión de rotura y de esta manera calcular la resistencia a compresión. Además del Sistema MEYCO KAINDL (con el que se pueden determinar las resistencias iniciales entre 6 horas y 2 días), MEYCO también dispone dentro de su gama de equipos, del MEYCO Penetration NEEDLE para la medición de resistencias iniciales en los primeros minutos ( min.). Equipos para la determinación de resistencias a compresión

14 EQUIPOS DE PROYECCIÓN Al igual que ocurre con la tecnología de materiales, ha habido también un desarrollo acelerado en el sector de equipos, por lo cual hoy en día existe maquinaria adaptable a las siempre cambiantes condiciones en las que el hormigón proyectado debe ser puesto en obra, desde la construcción de grandes túneles hasta pequeños trabajos de reparación. La tendencia general apunta hacia sistemas integrados y automatizados que garantizan volúmenes de producción altos, uniformes y de calidad controlable y mejoren las condiciones de trabajo. MEYCO Equipment es parte de la División UGC dentro de BASF Construction Chemicals. MEYCO dispone de una amplia gama de equipos para la proyección de hormigón por vía seca y húmeda de forma estática o móvil e incluso equipos de proyección para máquinas TBM. Con los equipos de bombeo MEYCO Piccola, MEYCO GM (ambas vía seca), MEYCO Altera y MEYCO Suprema, el brazo de proyección MEYCO Robojet y los diferentes robots de proyección entre los que destaca el MEYCO Potenza y el último desarrollo MEYCO Logica (capaz de aplicar espesores milimétricos de forma automática) MEYCO cubre todas las necesidades para la aplicación del hormigón proyectado