Noviembre 2012

Uso creciente de fibras sintéticas para el Remplazo de Mallas

Electrosoldadas en la construcción de Túneles

¿Qué es innovación?

Existen 2 puntos en el cual todos los autores convergen:

•Si los nuevos productos, procesos o servicios no son aceptados por

el mercado, no existe innovación.

•La Inovación es el elemento clave de la competitividad.

Innovar es crear o modificar un proceso o producto e

introducirlo en el mercado

EQUIPOS

Revestimiento Remoto de Piques

• Por vía seca

• Operador en superficie

• Calibración con

espesor conocido

• 3 camaras infra roja

Revestimiento por CPC

• Concreto

(aplicado centrífugamente)

• Mezcla húmeda

• Aire comprimido para girar

boquilla

• 4000 – 5000 rpm

• Con fibra sintética

• Horizontal

– Diámetro 0,4 a 2,4 m

Revestimiento por CPC

• Piques

– Diámetro 2,5 a 3,5 m

– 35 a 40 m3 / turno

CONTROL DE ESPESOR

Alternativas Actuales

• Durante aplicación

– Clavos

– “Dedo” en boquilla

– Laser (Meyco Logica)

– Medidores de espesor

• Pos-aplicación

– Topografía

– Taladro Hilti

– Fotogrametría

Fotogrametría

• Sobrepone imagenes en una malla

de triangulación

• Se pueden girar y magnificar las

imagenes

Analisis de Espesor

Imagen de Cambio de Espesor

Existen fibras de altísima calidad

que permiten reemplazar fibras

metálicas y mallas electrosoldada

que resultan de programas de

investigación y desarrollo de

algunas empresas del rubro del

plástico.

FIBRAS SINTETICAS

• Olefina de alta resistencia a la tracción de 6.400 kg/cm2

• Vínculo mecánico a través de incorporación de relieves en su estructura

• Vínculo químico a través de la incorporación de aditivos en la superficie.

• FIBRAS SINTETICAS

Jo

ule

s (C

155

0)

Fibras sintéticas con 9 kg/m3 Dramix con 40 kg/m3

0

200

400

600

800

1000

1200

1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013

Performance growth

Barchip Synmix Dramix future Barchip SI Fibre Reoshore

BC30

BC48

Kyodo

Xtreme Shogun

BC54

BCX

Synmix75

BCXX

Dramix

Propex

Reoco

FIBRAS SINTETICAS

Refuerzo tridimensional

Distribución de las fibras en el hormigón

Conceptos Generales de Soporte

en Túneles

• Soporte pasivo

– Arcos de acero. Soporta grandes presiones de la

roca. Actualmente se usa en túneles carreteros y

mineros, en sectores de con roca de mala calidad.

• Soporte activo

– Confiere resistencia al macizo rocoso principalmente

con pernos de anclaje, malla y shotcrete (concreto

proyectado). Es más eficiente que el pasivo, excepto

en sectores de roca de mala calidad.

Ejemplos Soporte Pasivo

Mina El Teniente Proyecto Kennedy – Lo Saldes Santiago

Ejemplos Soporte Activo

Mina El Teniente Proyecto Kennedy – Lo Saldes Santiago

• Hace algunos años la División El Teniente de Codelco implementa un ensayo a gran escala para determinar los resultados del sistema perno – malla – shotcrete.

• Estos ensayos permitieron determinar el comportamiento obtenido con este sistema para el sostenimiento de túneles en zonas de cargas estáticas.

• El ensayo implementado es una derivación del Ensayo Sud Africano utilizado para determinar el comportamiento de un shotcrete reforzado frente a una carga determinada.

Ensayos a Gran Escala

Curvas Carga - Deformación

Ensayo Sud Africano

Fibra metálica 40 Kg/m3

Malla

Fibra sintética 6 Kg/m3

Carga (ton)

12

10

8

6

4

2

0

Deformación al centro (cm)

0 2 4 6 8 10

Objetivo de Ensayo

Simular las condiciones de carga y de borde que se

producen en la práctica, eliminando las deformaciones

de los pernos y de las placas de apoyo, con el fin de

determinar las características de deformación.

Medir la Carga y Absorción de Energía del panel.

Eventualmente dar alguna idea de la repartición de

carga entre lo que toma el panel de shotcrete y la

fracción de la carga que se transmitirá directamente a

los pernos de anclaje

Esquema del Ensayo

1m

Disposición de puntos de medición

25 cm

25 cm

100 cm

25 cm

T4

T5

T1

T2

T3

160 cm

Distribución de Cargas

EFECTO DE ARCO

MODELACIÓN NUMÉRICA MODELO INICIAL

LOSA DEFORMADA (PERSPECTIVA)

Confección de paneles

Perno - Malla - Shotcrete

Confección de Paneles

VISTA INFERIOR DE UN PANEL CON MALLA

DESPUES DE LA ROTURA

Resultados Ensayo Paneles

Shotcrete + Malla 100-06

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 20 40 60 80 100 120 140

Deformación central (mm)

Ca

rga

(to

n)

Fig.2.- Curva carga – deformación sistema shotcrete – malla

10006 en ensayo estático de rotura

Malla 10,9 614 14,90 11000

Carga de

Fluencia

(ton)

Energía a

los 10cm

(Joules)

RefuerzoEspesor

(cm)

Peso

(Kgs)

Especificación de Codelco para el

reemplazo de malla por fibra.

RESULTADO ESPERADO: se considerará un resultado satisfactorio de esta prueba

si se cumple con los siguientes requisitos mínimos:

- Carga máxima: 14 ton.

- Capacidad de absorción de energía a 10 cm de deflexión central en el panel:

10000 joules.

- Comportamiento de la curva carga – deformación similar a la obtenida con igual montaje para el sistema shotcrete – malla 10006 (ver figura siguiente).

Ensayos de Shotcrete Reforzado

con Fibra Sintética

• A fines del año 2006 se realizaron pruebas de laboratorio para

determinar la performance de la fibra sintética frente al

comportamiento de la malla 100-06, las cuales fueron hechas

con el fin de cumplir los parámetros de éxito para la posterior

prueba en terreno.

• Se entrega a continuación:

• Un resumen de los ensayos realizados al shotcrete con fibra

sintética.

• La metodología de Prueba de Fibra Sintética para Shotcrete

en Mina El Teniente.

Antecedentes de Ensayo de Paneles

con Fibra Sintética

Se prepararon 3 paneles cuadrados para la realización

de los ensayos.

El hormigón deberá cumplir con las recomendaciones y

requerimientos de El Teniente, siendo uno de los más

importantes el que se obtenga una resistencia a las 24

horas de 100kg/cm2

Las dimensiones del moldaje utilizado para los paneles

de shotcrete fue de: 10 cm de espesor y 160 x 160 cm.

Ensayo con Fibra

Cemento

Arena 1

Arena 2

Agua

Aditivo 1

Aditivo 2

Fibra sintetica

Razon Agua/cemento

Dosificación de shotcrete fibra, por m3 de material

Dosificación llenado

PanelesComponentes

Requisito resistencia a

compresion a los 28 dias225 (kg/cm2)

464 kg

7,0 kg

0,54 lt

2,39 lt

226 lt

159 kg

1433 kg

DOSIFICACIÓN

0,48

Preparación de Paneles para

Ensayo

Ejecución de Ensayo

Resultados de Paneles

Gráfico Carga – Deformación T1

Absorción de Energía de Paneles T1

Resultados de Ensayos

A 10 cm

Cumplimiento Satisfactorio de Requisitos

para el reemplazo de malla por fibra

El shotcrete con una dosis de 7 kilos de Fibra por

m3 tiene un comportamiento igual o superior al

shotcrete con malla en cuanto:

- a la capacidad de carga

- comportamiento de la curva carga – deformación

- absorción de energía

Por lo tanto cumple con lo Especificado por la

División El Teniente de Codelco.

41

Sistema Shotcrete – Fibra Sintética

Fortalezas Debilidades

Durabilidad mayor de refuerzos

sintéticos con relación al acero

en ambientes agresivos (minería)

Resistencia inicial depende de

calidad de áridos, cemento y

acelerador de fraguado

Menor consumo de material con

relación a sistema shotcrete con

malla

Desconocimiento de experiencias

similares en ámbito minero

Ahorro de tiempo en ciclo de

avance por eliminación de

colocación de malla y afianzado

Control de resistencias a

temprana edad no establecido

por norma

Resistencias similares a

shotcrete con perno y malla

Menor consumo de shotcrete

Requisitos para el Proceso

Constructivo

• Validar la secuencia constructiva a emplear para este

sistema.

• Detectar cualquier inconveniente asociado al manejo o

proyección de la fibra.

• Determinar la curva resistencia en función del tiempo

para edades tempranas del shotcrete con fibra.

A

B

C

Secuencia Constructiva

Metodología:

Objetivo: Aplicar shotcrete con fibra sintética, según

secuencia productiva propuesta en Figura.

Requisitos de Éxito de la Prueba en Proceso Constructivo

- Que no se genere fisuramiento del shotcrete producto

de las tronaduras sucesivas.

- Que no exista caída de masas o planchones de

shotcrete durante y después de la proyección.

- Obtener tiempos asociados al ciclo constructivo.

Comparar con ciclo de sistema perno-malla-shotcrete.

Duración del proceso constructivo

del shotcrete con malla

Esta compuesta por 4 actividades principales:

• Colocación de la malla.

• Afianzamiento de la malla.

• Preparación de los equipos de shotcrete.

• Colocación del shotcrete

Duración del proceso constructivo

del shotcrete con fibra

Está compuesta por 2 actividades principales:

• Preparación de los equipos de shotcrete.

• Colocación del shotcrete.

Disminución del tiempo del ciclo de trabajo

de la obra al incorporar shotcrete con Fibra

Para determinar la disminución de tiempo total, hay que definir la secuencia

de trabajo utilizada en cada ciclo de trabajo

Secuencia de Trabajo

1. Transición Turno Día - Noche

2. Retiro Marina

3. Acuñado Frente - Caja - Corona

4. Marcación Gradiente-Centro

5. Marcación Cajas - Coronas

6. Instalación Jumbo

7. Perforación Cajas - Coronas

8. Retiro Jumbo - Instalación. Grúa Plataforma

9. Acuñado Cajas - Corona Post Perforación

10. Colocación Pernos Lechados

11. Colocación Malla

12. Transición Turno Noche - Día

13. Afianzamiento Malla

14. Preparación Equipos Shotcrete

15. Colocación Shotcrete

16. Limpieza Pata

17. Marcación de la Frente para Tronadura

18. Retiro Grúa Plataforma - Inst. Jumbo

19. Perforación de la Frente

20. Retiro Jumbo - Instalación Grúa Plataforma

21. Colocación Explosivos

22. Evacuación y Tronadura

Disminución del tiempo del ciclo de trabajo

de la obra al incorporar shotcrete con Fibra

Las actividades nº11 y nº13 son las únicas que se eliminan al utilizar la

metodología de shotcrete con Fibra y todas las demás se mantienen.

• En el Tiempo Promedio registra una reducción entre un 12% y un 60% al

utilizar la Metodología de shotcrete con Fibra

50

RESUMEN SISTEMA SHOTCRETE-FIBRA

EN CICLO DE AVANCE

0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00

Ventilación

Marina

Acuñado

Perforación pernos

Lechado pernos

Colocación malla

Tensado malla

SHOTCRETE

Perforación de la frente

Carguío y disparo

Horas Acumuladas

Perno-Shotcrete-Malla Perno-Shotcrete con fibra

Beneficios de la disminución

de plazos

La disminución del plazo de un proyecto tiene una serie de beneficios

tanto para las empresa contratistas como para las empresas

mandantes. Entre los principales beneficios tenemos:

GEOMETRÍA

DEL TÚNEL

TECHO PLANO ARCO SUAVE

ARCO IRREGULAR

FRACTURAS FRACTURAS BLOQUE

INESTABLE

BASE TEÓRICA PARA EL ENSAYO

GEOMETRIA

DEL

MODELO

PLANA ARCO SUAVE ARCO IRREGULAR

RESISTENCIA DEL SHOTCRETE 80 Kg/cm2 - 250 Kg/cm2

ADHERENCIA BAJA - ALTA

ESPESOR DE CAPA 2.5 cm - 15 cm

CONDICIONES DE

BORDE

EXTREMO LIBRE

EXTREMO FIJO

REFUERZO NADA FIBRA MALLA

CONDICIONES Y VARIABLES DE

DISEÑO

Diagrama de esfuerzos para el

diseño de shotcrete con malla

Ts

Cc

s

cu

0.85·f’c

Ts

Cs 0.85·c

c

s

cu

Cc

tb=L/150

Pu

Deformación

Ca

rga

Tb

b

h

L/3

L

P

2tb

be

h·b

L·

Tf

100·

f

fR

0

ee

Valores

tabulados para

distintas

dosificaciones

de fibras

Variables para el diseño del Shotcrete con

Fibras

C

T

fe

Resistencia

residual

equivalente

f0 : Módulo

de ruptura del

shotcrete sin

refuerzo

Re3

Coeficiente

de Tenacidad

Metodología actual de diseño de

Shotcrete con fibras

Información

requerida Momento flector

solicitante(M)

Resistencia

a la

compresión

del hormigón

(fc)

Re

Coeficiente

de Tenacidad

• Módulo de ruptura de la

matriz de Shotcrete:

• Resistencia Residual

equivalente:

Espesor de

Shotcrete

requerido:

3 2

c0 f·4.0f 0

ee f·

100

Rf

b·f

M·6d

e

(Unidades en N y mm)

Conclusiones

La solución de shotcrete con Fibra Sintética cumple con la

condiciones para el reemplazo de la Malla 100-06 en sostenimiento

de túneles para condiciones de cargas estáticas.

La Fibra Sintética es una alternativa real frente a otros tipos de

reforzamiento en la actualidad (mallas de acero y fibras metálicas),

debido a los avances tecnológicos y la investigación y desarrollo del

polipropileno.

Al realizar un análisis de costos se desprende que la metodología

del shotcrete con Fibra Sintética puedes generar ahorros importantes

frente a la metodología del shotcrete con Malla, considerando:

● Un menor consumo de shotcrete al tener una capa de espesor

homogéneo que se adapta a la superficie.

●Una mayor productividad en el avance de la faena, incorporando los

beneficios que esto conlleva.

Gracias

REQUISITOS DEL SHOTCRETE PARA EL

SOPORTE DE ROCAS

• BUENA ADHERENCIA

• RESISTENCIA INICIAL

ALTA

• Cantidad de cemento

• Granulometría adecuada de la arena

• Tamaño máximo de agregado

• Tipo de cemento

• Uso de Policarboxilatos

• Uso de aceleradores de fraguado

• Incorporación de fibras

Concepto de Calidad

Hormigón

convencional:

• Resistencia a la

compresión a los 28 días

Shotcrete:

• Adherencia

• Espesor mínimo

• Resistencia a la

compresión a temprana

edad

• Resistencia a la flexo-

tracción

• Absorción de Energía o

Tenacidad

Importancia de la adherencia • La excelente adhesión del shotcrete a otros materiales es a

menudo la más importante condición de diseño

• La fuerza del impacto del material proyectado con aire comprimido sobre la superficie, provoca una compactación de la mezcla en las pequeñas irregularidades de la superficie y se traduce en una buena adhesión a ésta

• La prueba más palpable es la auto suportación del shotcrete cuando se proyecta sobre cabeza

• La adherencia permite que la membrana de shotcrete impida los desplazamientos de roca entre sí, por lo tanto, se mantiene la cualidad auto soportante del macizo rocoso en el techo de las galerías

DOSIFICACIÓN DE SHOTCRETE (1 m3)

• MATERIALES • Cemento:

– 420 kg/m3

• Árido: – 1620 Kg/m3

• Agua: – 210 Kg/m3

• Hiperplastificante: – 4,25 kg/m3

• Acelerador de fraguado: – 25 kg/m3

• Fibra : – 6 kg/m3 Sintética

– 40 kg/m3 Metálica

Banda Granulométrica Recomendada

para el Shotcrete

Sieve size (US standard) Grading No.1 Grading No.2

12.50 mm (1/2 inch) - 100

9.50 mm (3/8 inch) 100 90 – 100

4.75 mm (No. 4) 95 – 100 70 – 85

2.36 mm (No. 8) 80 – 98 50 – 70

1.18 mm (No. 16) 50 – 85 35 – 55

600 μm (No. 30) 25 – 60 20 – 35

300 μm (No. 50) 10 – 30 8 – 20

150 μm (No. 100) 2 - 10 2 - 10

0

20

40

60

80

100

19 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075

Sieve Size (mm)

Cu

mu

lati

ve %

Passin

g

Min. Limit Max. Limit Actual Grading

Essential part of a

shotcrete design

25% below 0.3mm

Diseño de Mezcla

Aditivos

• Uso de acelerador de fraguado:

– Reducen el tiempo de fraguado y la resistencia inicial es mayor, lo que posibilita aplicación de capas sucesivas con mayor rapidez y en espesores mayores

– Reduce la resistencia a 28 días, por lo cual, hay que agregar la menor cantidad posible

– Existen varios tipos de acelerantes, en base a aluminatos, silicatos y libres de alcalis, estos últimos se han masificado Dado que son menos dañinos para la salud humana y no reducen demasiado la resistencia final del shotcrete.

• Uso de Hiperplastificante (Policarboxilatos):

– Reducen la relación agua/cemento, producen un corte de agua hasta un 30%.

– Produce shotcrete de alta trabajabilidad, aumentando las resistencias iníciales y finales.

– Aumenta la cohesión de la mezcla.

Resistencia a

temprana edad

Desarrollo de

resistencia

Evolución de Resistencias

ENSAYOS

• Antes de la puesta en marcha

• Control de calidad rutinaria

• Resistencia a la compresión

– Cilindros

– Testigos

• Absorción de Energía

ENSAYOS

• Vigas (ASTM C-1399, 1609, otras)

– Fisuras muy cortas

– Forma de falla no consistente

• Efnarc

– Fisuras largas

– Forma de falla no consistente

– Requiere cortar

– Caro, lento, pre-proyecto

– CV 10 – 20%

• Panel Circular (ASTM C-1550)

– Fisuras largas

– 3 fisuras radiales en forma consistente

– Listo sin cortar

– Rutinario, laboratorio in situ

– CV 6 – 10%

ENSAYO DE VIGA

ENSAYO DE VIGA

SHOTCRETE

SHOTCRETE

Ejemplo