La inyección de morteros o de suspensiones inestables es el caso habitual en las lechadas de cemento (Figura 1). Se trata de una suspensión de cemento en agua cuya homogeneidad depende de la agitación de la mezcla. Una vez cesa la agitación, se inicia la sedimentación del cemento. Esa sedimentación provoca el taponamiento de los poros y la inyección se obstaculiza. El cemento es un excelente material de inyección, pues no solo rellena los huecos, sino que, al fraguar, endurece el terreno o los macizos rocosos.
La aplicación habitual de la inyección de lechadas inestables es aumentar la resistencia de un macizo rocoso, aunque también se consigue impermeabilizar, especialmente si se emplean lechadas tratadas químicamente (estables). Lo habitual es que la inyección con lechadas de cemento se realice mediante impregnación (2 a 5 MPa) o fractura (9 a 10 MPa). También se podría realizar una inyección de compactación, pero requiere que el fluido sea muy denso, de modo que los bulbos de mortero fraguado desplacen y compacten la masa de suelo en sus alrededores.
La impermeabilización facilita tanto la ejecución de trabajos posteriores, como es el caso de la excavación de pozos o galerías bajo nivel freático que luego se revestirán, como la ejecución de trabajos definitivos, como es la ejecución de pantallas estancas bajo presas, cuando se adivinan filtraciones de agua importantes (Figura 2). La inyección a alta presión no sería necesaria para garantizar la impermeabilización, sin embargo, es frecuente, pues permite utilizar explosivos en la excavación posterior sin perjudicar la calidad del tratamiento.
La consolidación mediante inyecciones de cemento en un macizo rocoso facilita la ejecución de trabajos posteriores, como es el caso de la perforación de galerías en terrenos difíciles, y mejora la capacidad resistente de la cimentación de una obra, por ejemplo, bajo la pila de un puente, en los estribos de una presa bóveda, etc.
El prototipo de suspensión inestable es un mortero de un tipo análogo al de uso corriente, pero lo suficientemente diluido como para ser inyectable. Es decir, un mortero muy fluido (lechada), inestable debido al tamaño de los granos de cemento y al proceso de fabricación. El grado de dilución en este tipo de suspensiones es variable, con relaciones máximas de 10 litros de agua/1 kg de cemento, y lo mismo que en los morteros estables pueden añadirse proporciones de arena. Las relaciones agua/cemento varían de 0,5:1 a 10:1, aunque es habitual una proporción de 0,8:1 a 5:1 (Bell, 1993).
La penetrabilidad de las lechadas de cemento depende del tamaño de los granos de cemento, de la posibilidad de formar un cúmulo de granos en bóveda al atravesar un intersticio (Figura 3) y de la velocidad del fluido con la que comienza la sedimentación del cemento. Es por ello una solución muy adecuada para materiales granulares gruesos como zahorras, gravas y arenas gruesas, o bien para la inyección de grietas en macizos rocosos. En cambio, resulta un procedimiento poco eficaz en arenas, excepto si lo que se pretende es la consolidación o compactación conseguida cuando se inyecta en cortos intervalos (Tomlinson, 1982). Se trata de una solución sencilla y de relativamente poco coste, pero se encuentra limitada por la permeabilidad del medio. El uso de cemento Portland corriente y agua ya no es adecuado en suelos con permeabilidad inferior a 10⁻³ m/s.
Se pueden distinguir, entre las lechadas de cemento, las siguientes:
- Suspensiones de cemento puro: con una relación cemento/agua que oscila entre 0,1 y 0,5 en peso.
- Suspensiones de cemento rebajado: donde se reemplaza parte del cemento por un polvo inerte como una arena fina o cenizas volantes. Con el porcentaje de arena, la resistencia disminuye rápidamente, pero no es un problema si se busca impermeabilidad. No obstante, las suspensiones de arena desgastan rápidamente las bombas de inyección.
El equipo empleado para la elaboración de las mezclas de cemento consta de un turbo mezclador de altas revoluciones (más de 1250 rpm); un mezclador de bajas revoluciones (de 60 a 80 rpm) que mantiene en agitación la mezcla durante la inyección; bombas de tornillo sinfín o de doble pistón con capacidad de inyección variable de 0 a 60 l/min y presión ajustable de 0 a 3 o 4 MPa; obturadores mecánicos, neumáticos o hidráulicos y manómetros registradores (Figura 5).
El tiempo de inyección está relacionado con la evolución de la viscosidad del material inyectado, con la presión de inyección admisible y con el radio efectivo (Bielza, 1999). En las suspensiones de cemento, el tiempo de inyección se limita a 2-4 horas. Cuando comienza la hidratación total, se inicia el fraguado del cemento. La lechada es bombeable desde la fase de agitación hasta su inyección, y también después del inicio de la hidratación. Sin embargo, tras ese comienzo la resistencia final del material se reduce. Por tanto, no se aconseja la inyección de suspensiones en condiciones de hidratación. Las resistencias normales a la compresión simple oscilan entre 5 y 50 MPa a los 28 días. El tiempo de fraguado aumenta con la relación agua/cemento. Así, las lechadas de cemento fraguan en unas 4-5 horas, pero si están muy diluidas, este periodo se puede alargar a las 10-15 horas. Incluso algunas lechadas con relaciones agua/cemento mayores a 10 nunca llegan a fraguar.
Como las lechadas de cemento son inestables, su velocidad de flujo disminuye rápidamente a medida que aumenta la distancia desde la perforación hasta la zona de inyección, lo que provoca que las partículas se sedimenten en una proporción menor según la relación agua/cemento de la mezcla. Es decir, cuanto mayor sea la dosificación del mortero, más elevada será la velocidad crítica de sedimentación. Por ello, se aconseja que la lechada inicial tenga una dosificación baja, por ejemplo, una relación a/c de 10:1 a 15:1, para evitar los taponamientos prematuros. La dosificación ideal sería la menor que permita alcanzar la contrapresión de rechazo establecida de antemano. En la práctica, la dosificación inicial se determina a partir del resultado del ensayo de agua (Lugeon).
Para aumentar la penetrabilidad, se aconseja el uso de cemento de alta finura de molienda o de microcemento. Se evitan las bóvedas de granos al atravesar los intersticios mediante mezclas muy fluidas, denominadas mezclas medias. Sin embargo, el tratamiento de impregnación en masa no resulta aconsejable para este tipo de suspensiones inestables. Para que una inyección inestable sea factible o no resulte muy complicada, el tamaño mínimo de las partículas del terreno debería situarse entre 5 y 10 mm. Además, en terrenos con un 10% de finos ya no es factible inyectar cemento. En arenas y gravas se hincan tubos de punta perdida, un tubo de inyección cada 4 m² aproximadamente, inyectándose en zonas de unos 50 cm de altura. Si las inyecciones son con lechadas de cemento de molido normal y de tamaños muy diferentes (0 a 160 μm), no se pueden utilizar en fisuras de abertura inferior a 0,1 mm ni en suelos arenosos de tamaño inferior a 0,8 mm, pues se produce un filtrado de las partículas y la lechada no penetra en el terreno (Schulze y Simmer, 1978). Es decir, las arcillas no pueden inyectarse. Por el contrario, si los huecos son demasiado grandes, se deposita inmediatamente la lechada, dando a la inyección un radio de acción muy pequeño.
En cambio, la aplicabilidad de las lechadas de cemento se encuentra plenamente justificada en el caso de macizos rocosos fisurados (presencia de diaclasas, planos de debilidad, estratificación). La presión del fluido disminuye con la distancia y la velocidad, lo que provoca la sedimentación. Son habituales los taladros de 60 a 90 mm, separados entre 2 y 5 m, según la roca. La lechada de cemento se inyecta en capas de 3 a 5 m de espesor, según el porcentaje de finos a cerrar.
En rocas o materiales gruesos, se puede realizar una excavación por debajo del nivel freático, colocando una cortina de mortero inyectado. Tomlinson (1982) recomienda dos filas de perforaciones para una inyección primaria con sus centros separados de 3 a 6 m en ambas direcciones, con unos segundos taladros, incluso terceros, entre ellos (Figura 6). Una regla empírica habitual para inyectar pasta en las grietas de los estratos rocosos es aplicar 0,07 kg/cm² por cada 30 cm de profundidad de la perforación. Se aplica una mayor presión en las inyecciones secundarias y terciarias según la eficacia de la inyección primaria.
La presión de inyección de las lechadas inestables constituye uno de los parámetros de diseño más importantes, pues favorece la apertura de las fisuras en una roca fisurada. Esta presión puede alcanzar entre 8 y 9 MPa. La presión facilita la expulsión del exceso de agua y permite corregir errores en la dosificación. Agranda tanto la longitud de penetración como las fisuras existentes, y crea nuevas. Independientemente de la presión de inyección, la calidad del cemento depositado en las fisuras aumenta con dicha presión.
Por otra parte, la lechada discurre casi en paralelo a los planos de estratificación o de diaclasas del macizo rocoso. Las fisuras perpendiculares a la inclinación general del macizo son artificiales y se producen en capas menos resistentes bajo la acción de presiones superiores a 10 MPa.
La mayor parte de los tratamientos de inyección en roca se relacionan con la construcción y el mantenimiento de presas y túneles, así como con algunas aplicaciones en minería. Se trata de obras subterráneas en las que las inyecciones buscan reducir y controlar la filtración de agua. Suelen ser habituales las lechadas de cemento, aunque en algunos casos se han realizado inyecciones químicas y con resina.
Hay que apuntar, por último, que actualmente se utilizan las mezclas estables en la mayoría de los tratamientos de inyección y consolidación debido a sus mejores propiedades reológicas. Sin embargo, si el terreno no presenta muchas dificultades, las inyecciones con lechadas inestables son un método económico y eficaz.
Referencias:
- BELL, F.G. (1993). Engineering treatment of soils. E & F Spon, Londres.
- BIELZA, A. (1999). Manual de técnicas de tratamiento del terreno. Carlos López Jimeno, Madrid, 432 pp.
- CAMBEFORT, H. (1968). Inyección de suelos. Omega, Barcelona.
- HOULSBY, A.C. (1990). Construction and Design of Cement Grouting. John Wiley & Sons, Inc, New York.
- SCHULZE, W.E.; SIMMER, K. (1978). Cimentaciones. Editorial Blume, Madrid, 365 pp.
- TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp. POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
- YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.
- YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.
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