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Shotcrete para reparar elementos estructurales de hormigón

Shotcrete para reparar elementos estructurales de hormigón

En este artículo abordaremos lo último sobre Shotcrete, como material de reparación o rehabilitación de estructuras existentes de hormigón. 

Breve introducción sobre el Shotcrete

De acuerdo a Shotcrete Magazine, el shotcrete ha estado presente desde que su inventor Carl Akeley tuviese la idea de transportar neumáticamente un mortero cementicio hace más de 100 años. Para muchos, este material fue considerado como un método más para colocar hormigón, ignorando sus capacidades en cuanto a la rehabilitación a largo plazo, en comparación con otros procesos de reparación. 

Datos básicos sobre el Shotcrete

Conocido también como: 

Hormigón proyectado: tamaño máximo del árido 12-16mm.

Mortero proyectado: tamaño máximo del árido 6mm.

Gunita: nombre comercial para el hormigón proyectado por vía seca.

¿Qué es en sí el Shotcrete?

Según el ACI 506r, “Guía del Shotcrete (1), el hormigón proyectado o Shotcrete es un mortero proyectado neumáticamente a alta velocidad sobre una superficie, lo que quiere decir que no es un producto como tal, sino más bien, un método de colocación para el hormigón.

Una explicación más simple sería que el shotcrete es un método en el que se proyecta la mezcla de hormigón sobre superficies constructivas a alta velocidad, utilizando una manguera con aire comprimido. Algunas propiedades importantes de este material son su consistencia y resistencia en su estado fresco (sobre todo para el soporte de excavaciones subterráneas), y la resistencia a la compresión y durabilidad en su estado endurecido. 

Ingredientes del Shotcrete

Áridos: constituyen alrededor del 75% del peso del shotcrete y del 65% de su volumen. Su composición geológica influye en la facilidad de manejo y las propiedades del hormigón 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 entre 0,40 y 0,50.

Adiciones: materiales finos complementarios (escorias, cenizas volantes y humo de sílice). Estos se utilizan en shotcrete de diferentes maneras: 

Complementar el equilibrio de finos

Mejorar las propiedades de durabilidad

Aumentar la capacidad de retención de agua

Reducir la presión de bombeo durante la aplicación 

Aditivos químicos: Acelerantes, plastificantes, superplastificantes, retardantes y estabilizantes. 

Acelerantes: aceleran el fraguado de la mezcla y el desarrollo de la resistencia temprana. Al contrario de los demás aditivos, se añaden a la mezcla inmediatamente antes de la proyección. 

Plastificantes y superplastificantes: aumentan la fluidez de la mezcla sin pérdida de resistencia. 

Retardantes: controladores de hidratación que 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 la bombeabilidad de la mezcla. 

Fibras de refuerzo: fibras sintéticas o de acero que sirven como refuerzo estructural. El hormigón proyectado con fibras se utiliza sobre todo para soporte de roca en minería subterránea y estabilización de taludes. 

¿Cuáles son los procesos o métodos para colocar el Shotcrete?

El proceso en seco

Este consiste en que el hormigón se transporte utilizando aire comprimido hasta la boquilla, donde se mezcla con el agua y acelerante para ser proyectado sobre el sustrato. 

Existen dos formas de realizar este proceso: proyección con equipo robotizado o proyección manual. La primera se suele utilizar cuando se requiere un rendimiento mayor, pero las circunstancias no permiten que se realice el proceso en húmedo. El suministro del material seco es más flexible, dado que permite un tiempo de almacenado casi ilimitado y puede ser transportado sobre largas distancias. 

Por otro lado, la proyección manual en seco suele aplicarse cuando son pequeñas cantidades de shotcrete, por ejemplo, en reparaciones o en espacios restringidos. 

El proceso en húmedo

En este el hormigón ya mezclado con agua, se transporta por tubería hasta la boquilla para mezclarse con aire comprimido y el acelerante para proyectarse sobre el sustrato. El método más eficiente es en el que se usa equipo robotizado para aplicaciones subterráneas, acortar los ciclos de trabajo y aumentar la seguridad del operador, controlando el brazo proyector en remoto fuera de la zona de peligro. 

En este caso, la proyección manual se utiliza sólo donde no cabe un equipo robotizado y las bombas de proyección por vía húmeda también están disponibles con sistema de dosificación de aditivos. 

El ingrediente clave en ambos procesos del shotcrete /húmedo o seco) es la velocidad. Si no hay una alta velocidad, generalmente unos 30 m por segundo, el hormigón o mortero colocado neumáticamente no puede describirse como shotcrete. La comparación se logra sólo cuando el hormigón golpea la superficie a alta velocidad.

Ambos procesos pueden ser igual de eficientes pero de igual forma, algunos contratistas que cuenten con mejores equipos, accesos a materiales y la experiencia de sus cuadrillas, prefieren completar de forma exitosa una reparación con shotcrete empleando un proceso sobre el otro. 

Condiciones ambientales del Shotcrete

Las especificaciones del shotcrete deben definir las limitaciones para colocarlo en varias condiciones ambientales:

Aplicación en clima frío

Cuando el hormigón proyectado se enfrenta a condiciones de baja temperatura, lo mejor es seguir las recomendaciones que aparecen en ACI 306R, que es la “Guía para el hormigonado en climas fríos (2)”, con las siguientes precauciones: 

  • No aplicar shotcrete si la temperatura del aire es de 4,4°C y disminuyendo, a menos que se tomen medidas de protección;
  • No aplicar hormigón proyectado en superficies congeladas;
  • Mantener la temperatura de la mezcla sobre los 10°C;
  • Proteger el shotcrete del congelamiento hasta que alcance al menos una resistencia a la compresión de 3 MPa; y
  • Utilizar agua tibia en la mezcla.

Aplicación en climas calurosos

En condiciones de altas temperaturas, la mejor práctica es seguir las recomendaciones de ACI 305R, que es la “Guía para el hormigonado en tiempo caluroso (3)”, con las siguientes precauciones: 

  • Mantener la temperatura de la mezcla del shotcrete lo más baja posible;
  • No aplicar el hormigón proyectado cuando la temperatura ambiente exceda los 38°C, a menos que se tomen las precauciones debidas;
  • Utilizar agua fría en la mezcla;
  • Utilizar sombras donde sea posible; y
  • Usar empañado o agua en rocío para enfriar y controlar la evaporación.

¿Dónde se puede usar el Shotcrete?

Las principales aplicaciones del shotcrete son el soporte y revestimiento en la construcción de túneles, el soporte de suelo y roca en minería subterránea, canales, embalses y complejos hidroeléctricos. También se utiliza en la estabilización de taludes. 

Construcción de túneles

Como soporte temporal y permanente: debido a su flexibilidad en la elección del grosor y su resistencia temprana, este material se presta para el soporte estructural temprano. Puede seguirle una segunda capa que sirva como soporte permanente, pudiendo combinarse con pernos de anclaje, cables, fibras y marcos de acero. 

Como revestimiento final: Se emplea el material in situ. Este material es la solución adecuada cuando no se exige una máxima regularidad en el acabado. Es la solución más económica para túneles cortos. 

Soporte de roca en minería subterránea

Desde los 90, el hormigón proyectado está poco a poco reemplazando a la malla de acero como principal método de soporte en minas subterráneas, lo que se debe principalmente a que brinda un soporte más resistente en combinación con pernos de anclaje, incrementa la seguridad del operador al trabajar desde zonas seguras, mejora los tiempos de ejecución de obra y disminuye la necesidad de rehabilitar el soporte. 

Complejos hidroeléctricos

En estos, el shotcrete se utiliza como soporte y revestimiento para túneles de acceso, cavernas y presas. También se aplica en canales, aliviaderos y embalses donde se proyecta directamente sobre la roca después de la excavación de la forma requerida. Gracias a su flexibilidad , permite que haya un rápido acceso a la obra y la aplicación de capas con grandes espesores. 

Estabilización de taludes

Gracias a su alta resistencia al corte y buena adherencia a la roca, el hormigón proyectado fortalece el sustrato, llenando vacíos y grietas, y evitando que la roca suelta se desprenda. 

Propiedades del shotcrete

Fluidez: la fluidez del hormigón fresco hace referencia a su capacidad de deformación. Esta se ve afectada por la temperatura ambiente, la granulometría y la forma y tipología de los áridos utilizados. La fluidez adecuada contribuye a minimizar las pulsaciones de la bomba de hormigón, a optimizar la dispersión de acelerante y fibras, y a asegurar la adhesión del hormigón al sustrato. 

Resistencia temprana: para el soporte de excavaciones subterráneas, se requiere una resistencia mínima durante las primeras horas después de la proyección. Existen diferentes métodos de medición que son la extracción de testigos para resistencias a partir de 10 MPa; penetración de aguja en un intervalo de 0,2 a 1,2 MPa y por último, el hincado del clavo en un intervalo de 3 a 16 MPa. 

Resistencia a la compresión: la resistencia a la compresión simple es una propiedad del hormigón en su estado endurecido y uno de los muchos indicadores de su calidad. Hace referencia a la resistencia del material a una fuerza de aplastamiento aplicada axialmente. La medida más apropiada es la extracción in situ de testigos de hormigón o desde un panel de prueba de producción. 

Durabilidad: capacidad de este material para soportar las influencias agresivas del entorno al cual está expuesto. El principal factor que influye en la durabilidad del hormigón endurecido es la relación agua/cemento de la mezcla, pudiendo ser otros factores los agregados como el material cementante, los acelerantes del fraguado y el curado.  

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