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SHOTCRETE-¿Que es? Métodos Vía húmeda Vía seca y aplicaciones

shotcrete concreto lanzado

SHOTCRETE: Shot + Concrete = Concreto + Lanzar o disparar.

Y según el Comité ACI 506 es un mortero o concreto proyectado neumáticamente a una alta velocidad y presión sobre una superficie.

También llamado concreto proyectado y se trata de un proceso por el cual el concreto es lanzado a alta velocidad sobre una superficie, usando máquinas de impulsión mediante aire comprimido, para adherirse a elementos estructurales o no estructurales en edificaciones.

Se utiliza una mezcla relativamente seca y esta se consolida por la fuerza del impacto, por ende, desarrolla una resistencia a la compresión similar al hormigón normal o al hormigón de alta resistencia, dependiendo de proporción usada.

Sus principales aplicaciones son en soportes y revestimientos en la construcción de túneles, también en las uniones de suelos y rocas en minería subterránea, canales, embalses y construcciones hidroeléctricas. Además, actualmente es usado para la estabilización de taludes.

Las principales propiedades del shotcrete son su consistencia adherible y manejable, su resistencia temprana en estado fresco (muy útil en los soportes de excavaciones subterráneas), y su gran resistencia a la compresión y durabilidad en su estado endurecido.

Historia

Muy usado hoy por hoy debido a su versatilidad y durabilidad para cubrir desde estructuras curvadas hasta para estabilizar taludes, y todo esto gracias a su gran inventor americano Carl Ethan Akeley.

La primera evidencia en la historia del hormigón proyectado aconteció en 1907 en estados unidos cuando Akeley creó una pequeña máquina que lanzaba la mezcla de concreto. Esta máquina permitía aplicar mucho más rápido y eficientemente la mezcla seca de concreto de forma neumática y al final le añadía un poco de agua.

En los años diez se diseñó una pistola de cemento que contaba con dos cámaras, basada en el primer diseño de Akeley. Y en 1930, se lo apodó con el término general de «Shotcrete” o “Concreto proyectado” y fue difundido globalmente por la «American Railway Engineering Association” (Asociación Americana de Ingenieros de Ferrocarriles).

En el año 1966 el Instituto Americano del Concreto mejor conocido como ACI adoptó el termino Shotcrete para ser usado en toda aplicación de forma neumática de un mortero o concreto ya sea por vía húmeda o seca. Seguidamente la unión europea también adoptó el termino, pero como Sprayed Concrete, que significa hormigón proyectado.

Hasta ese momento solo se proyectaba mortero (Sin agregado) en estado seco, pero en los años 40 se crea un método para introducir agregado de 10 mm al shotcrete. Y en 1955 se usa por primera vez el concreto proyectado por vía húmeda. En los años 90 se innovan las máquinas encargadas de proyectar o lanzar el concreto por herramientas remotas.

Luego en el año 1971 en estados unidos, se usa por primera vez fibras metálicas en el shotcrete, aumentado así su adherencia y resistencia a tracción. Además, en este mismo año se empieza a usar equipos remotos a gran escala. En fin, actualmente la tecnología del shotcrete sigue evolucionando y ha permitido innovar las obras civiles y procesos constructivos.

Materiales componentes

• Agregados

Los agregados o también llamados áridos conforman el 75% del peso del shotcrete y el 65% de su volumen. Además sus características morfológicas brindan las propiedades de todo concreto a su estado endurecido.

• Agua y cemento

La relación agua/cemento, que corresponde a la masa de agua dividida por la masa total de material cementante en la mezcla, es importante para la durabilidad del hormigón. La relación A/C está comprendida generalmente entre 0,40 y 0,50. (Para el shotcrete en estado seco se recomienda una dosificación de 4 partes de áridos, 2 partes de cemento y 1 parte de agua)

• Adiciones

Usualmente se complementa con materiales finos (escorias de alto horno, cenizas volantes y humo de sílice) con la finalidad de:

  • Aumentar el contenido finos ≤ 0,125 mm
  • Mejorar la durabilidad del shotcrete endurecido
  • Hacer que la mezcla retenga más agua
  • Y sobre todo reducir la presión de bombeo a la hora de ser proyectado

• Aditivos químicos

  • Acelerantes: Aceleran el fraguado de la mezcla y el desarrollo de la resistencia temprana y a diferencia de los demás aditivos, este se añade a la mezcla justo antes de poryectarlo a presión.
  • Plastificantes y superplastificantes: Aumentan la fluidez de la mezcla sin pérdida de resistencia.
  • Retardantes (controladores de hidratación): Sirven para mantener la consistencia de la mezcla durante su transporte.
  • Estabilizantes (de mezcla): Aumentan la cohesión interna de las partículas, evitando su segregación, para asegurar el bombeo de la mezcla.

• Fibras de refuerzo

Se pueden utilizar fibras sintéticas o de acero, cuando se desea aumentar el refuerzo estructural. Además al concreto proyectado se lo refuerza con fibras en la minería, donde se requiere unir rocas en túneles o para estabilizar taludes.

fibras de refuerzo del shotcrete
Fibras de refuerzo del shotcrete

Shotcrete vía seca

La mezcla de concreto es transportada en forma seca por manguera hacia la boquilla de la máquina robotizada, la cual le añade agua y lo impulsa a alta velocidad. Existen dos formas de aplicación (Robotizada por vía seca y de forma manual)

La aplicación robotizada se suele utilizar cuando se requiere un rendimiento más alto en comparación con la proyección manual, pero las circunstancias logísticas no facilitan la aplicación de la vía húmeda. Además el suministro del material seco es más flexible, dado que permite un tiempo de almacenado casi ilimitado y puede ser transportado sobre largas distancias.

Pero actualmente no es la mejor alternativa en comparación al método por vía húmeda ya que requiere de mucha técnica para su aplicación y para escoger los materiales y equipos adecuados para alcanzar resultados aceptables.

Ventajas

  • Mayor facilidad de aplicación de mezcla en superficies.
  • Reduce costos en el encofrado.
  • Disminución de horas de trabajo y aumento de la eficiencia.
  • Permite incorporación de microsílice y aceleradores de fraguado libres de álcalis.
  • Se le puede dar el acabado que se desee.

Desventajas

  • Altos costos de mantenimiento debido al daño en los equipos por la fricción de los áridos.
  • Creación de polvo en el lugar de trabajo que puede incomodar o incapacitar la visión a los trabajadores.
  •  Alto porcentaje de perdida de material (20%-25%) debido al alto rebote que produce.
  •  Necesidad de usar aditivos para controlar el rebote.

Shotcrete vía húmeda

En este método se transporta el concreto mezclado con agua por una manguera hasta la boquilla de la máquina manual o robotizada que la proyectará. 

La maquinaria robotizada se usa sobre todo en aplicaciones subterráneas con el objetivo de disminuir los ciclos de trabajo y aumentar la seguridad de los trabajadores. Y la forma manual se usa en espacios pequeños donde no sea necesario una maquina robotizada o no se utiliza shotcrete masivamente.

En ocasiones para asegurar la circulación de la mezcla por los conductos se usa contenidos de agua muy altos, pero gracias a las adiciones y aditivos es posible conseguir altas resistencias a la compresión a los 28 días (60MPa).

Ventajas

  • Mejor adherencia.
  • Producción más económica.
  • Menor rebote de material en comparación al método por vía seca.
  • Perdidas normales de mezcla debido a su bajo porcentaje de rebote (5%-10%)
  • Zona de trabajo libre de polvo en comparación al método de vía seca.
  • Permite colocar capas más gruesas de concreto.
  • Trabaja bien acompañada de aditivos o fibras de refuerzo.

Desventajas

  • Limitaciones en la distancia de transporte.
  • Tiene grandes exigencias técnicas de su calidad debido a su gran aplicabilidad.
  • Durante la proyección de la mezcla no es valido hacer interrupciones.
shotcrete via humeda vs vía seca

Propiedades del shotcrete

• Fluidez

La fluidez del concreto fresco se refiere a su capacidad de deformación y esta se ve afectada por la temperatura del ambiente, la granulometría, y la forma y tipo de agregados usados.

Para el concreto proyectado se desea una fluidez ligera que ayude a minimizar las pulsaciones de la maquinaria de bombeo y a optimizar la dispersión de los aditivos o fibras, una buena fluidez también nos asegura una mejor adherencia a las superficie.

Comúnmente el método de medición es el ensayo de asentamiento o Cono de Abrams que se realiza insitu.

• Resistencia temprana

Para el soporte de excavaciones subterráneas, se requiere una resistencia mínima durante las primeras horas después de la proyección. Para su medición se usan los siguientes métodos:

  • Extracción de testigos: para intervalos a partir de 10 MPa
  • Penetración de aguja: en resistencias de 0.2 a 1,2 MPa
  • Hincado del clavo: en resistencias de 3 a 16 MPa

• Resistencia final a la compresión

La resistencia es la principal propiedad de todo concreto endurecido ya que rige se calidad y la vida útil que tendrá, y en el concreto proyectado o shotcrete es mucho más importante. Por eso se requiere materiales de calidad y una dosificación que asegure una resistencia adecuada para el uso que este destinado.

• Durabilidad

El shotcrete deberá tener la capacidad de resistir los elementos dañinos del entorno en donde se utilice. La relación agua/cemento es el principal factor que influye en la durabilidad del concreto endurecido, si embargo los agregados, el cemento, y los aditivos también influyen pero en menos medida en el deterioro o aumento de su durabilidad.

Usos y aplicaciones

• Shotcrete en túneles

Como soporte temporal o permanente: Debido a su resistencia inicial es versátil como soporte estructural temprano de las paredes de los túneles, además debido a que se puede colocar por capas, es posible darle otra capa para que se quede como soporte permanente. Puede también ser combinado con cables, pernos o estructuras metálicas.

Como revestimiento final: Recomendado para revestir túneles cortos, debido a su rápida aplicación y acabado moldeable. Pero en zonas de alta presión se requiere shotcrete de mayor resistencia o en efecto aplicar capas adicionales.

• Shotcrete en minería

En minería subterránea: Se usa shotcrete reforzado con fibra (FRS) para revestir túneles, y eso de debe a que el FRS en combinación con pernos de anclaje brindan más resistencia y seguridad en los túneles, además de aumentar la eficiencia y velocidad de los trabajadores.

En socavones a cielo abierto: Debido a su gran adherencia se usa para estabilizar los taludes de los socavones, para cimentaciones profundas y para habilitar cualquiera infraestructura que requiera de soporte y resistencia adicional.

• Shotcrete en taludes

Hay varios métodos de estabilización en taludes, incluyendo concreto lanzado (shotcrete), es un procedimiento ampliamente utilizado por su enorme versatilidad, resistencia, durabilidad y capacidad de adherirse a cualquier superficie.

Su aplicación a alta presión, hace que el shotcrete se compacte en la superficie de los estratos, llenando grietas y evitando que la roca suelta se desprenda. Por tanto, el concreto disparado sirve para dar un recubrimiento en la superficie del talud, pero también para ayudar a crear una zona o anclaje de apoyo.

Es importante destacar que, en zonas con fuertes pendientes y masa rocosa de alto riesgo de desprendimiento, la aplicación de una sola capa de shotcrete no es suficiente y la intervención también requiere amarre con cables, malla y fibras, que mejoran el rendimiento del concreto lanzado.

Shotcrete se aplica normalmente desde la base del talud hacia arriba, como en túneles y minas, para evitar el alto porcentaje de rebote y desperdicio de material.

• Shotcrete en hidroeléctricas

El hormigón neumático es un método de apoyo ejecutable muy rápidamente que se utiliza tanto en la construcción como en la fijación de taludes y canales; así como proporcionar apoyo estructural a los túneles subterráneos de tuberías de las centrales hidroeléctricas.

La parte de una hidroeléctrica con una presión interna muy alta corresponde a los túneles de distribución que suministran las turbinas del generador y la válvula, en el interior de los cuales se produce la pérdida repentina de cota.

Estas secciones están sometidas a una presión enorme y requieren recubrimientos adicionales con shotcrete resistente al alto desgaste de su rendimiento.

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