Etiqueta: cemento

Tipo de cemento para hormigones resistentes a sulfatos en cimentaciones

Figura 1. Ataque por sulfatos del hormigón. https://anfapa.com/articulos-tecnicos-morteros-de-reparacion-de-hormigon/1164/causas-quimicas-del-deterioro-del-hormigon

Los sulfatos son compuestos químicos que están presentes en una gran variedad de concentraciones en el suelo, aguas subterráneas, aguas superficiales y aguas de mar. Entre los sulfatos de origen natural se encuentran algunos suelos orgánicos, suelos con turbas y algunos suelos arcillosos. Otra fuente natural de sulfatos es el agua de mar, los sulfatos de origen biológico, industrial o minero.

La mayoría de los suelos contienen sulfatos, que pueden presentarse en formas tales como calcio, magnesio, sodio, amonio y potasio, ya sea en el suelo mismo o en las aguas subterráneas. Es habitual que las cimentaciones de las estructuras se sitúen en este tipo de suelos, dándose la posibilidad de que los sulfatos presentes ataquen el hormigón. El deterioro del hormigón debido al ataque de sulfatos se distingue por una reacción química en la que el ion sulfato, actuando como agente corrosivo, interactúa con componentes como aluminato, iones de sulfato, calcio y grupos oxhidrilo del cemento Portland endurecido, así como de otros cementos que contienen clínker Portland, generando principalmente etringita y, en menor medida, yeso, así como una descalcificación. Este fenómeno se denomina “formación diferida de etringita” o etringita “secundaria”. Estas reacciones expansivas también pueden ocasionar fisuras, desprendimientos y pérdida de resistencia en el hormigón, dado que ocurren después de que el hormigón ha alcanzado su estado endurecido y se ha vuelto un cuerpo rígido.

El ataque de los sulfatos derivados de sales es un fenómeno reconocido desde hace décadas. Ya en 1887, Candlot observó el deterioro de los morteros utilizados en la construcción de las fortificaciones de París, particularmente en áreas donde estuvieron en contacto con agua que contenía sulfatos (selenitosas). Esta reacción química genera expansión en la pasta y crea una presión capaz de romperla y, finalmente, desintegrar el hormigón. Es conocido el hecho de combinarse el sulfato cálcico con la alúmina del cemento para formar la sal de Candlot (etringita), sulfo-aluminato cálcico, lo que provoca un notable aumento de volumen.

La naturaleza y alcance de los daños en el hormigón variarán según la concentración de sulfatos, el tipo de cationes presentes en la solución de sulfato (ya sea sodio o magnesio), el pH de la solución y, por supuesto, la microestructura de la pasta de cemento endurecida. Algunos tipos de cemento son más susceptibles al sulfato de magnesio que al sulfato de sodio. El mecanismo principal involucra el reemplazo del calcio en el silicato de calcio hidratado, que forma parte de la matriz de cemento, lo que resulta en la pérdida de las propiedades de unión de la matriz.

Por lo general, los sulfatos en estado sólido no generan un daño significativo al hormigón; sin embargo, cuando se encuentran en forma líquida, pueden penetrar los vacíos de la estructura y reaccionar con los productos de cemento hidratado. Entre los sulfatos, el de calcio tiende a causar menores daños debido a su baja solubilidad, mientras que el sulfato de magnesio representa un riesgo mayor.

La mayoría de estos sulfatos interactúan con el hidróxido de calcio y los aluminatos de calcio hidratados presentes en el hormigón, lo que provoca cambios en el volumen de la pasta de cemento y, en consecuencia, el deterioro de la estructura de hormigón. Además, el sulfato de magnesio, junto con el hidróxido de calcio, puede reaccionar con el silicato de calcio hidratado, lo que lleva a la pulverización del hormigón en masa. En un hormigón poroso, estos ataques encuentran una fácil vía para su acción destructora.

Figura 2. Corrosión en ambiente marino. https://e-struc.com/2017/05/09/patologias-asociadas-la-prescripcion-del-hormigon/

Por otra parte, el hormigón también se ve atacado por los cloruros, que afecta principalmente a la corrosión de las armaduras. Los iones cloruro, ya sean provenientes del agua marina o de las sales utilizadas en el deshielo, tienen la capacidad de penetrar a través de los poros del hormigón, tanto cuando estos están completamente saturados como parcialmente. Esta penetración puede desencadenar diversos fenómenos. En la superficie del hormigón, los efectos del ataque por cloruros se manifiestan mediante una fisuración irregular, que resulta de la exposición de las armaduras y su consiguiente corrosión generalizada. Esto conduce a la desintegración gradual del hormigón. Es muy importante recordar que el ambiente marino se considera agresivo hasta una distancia de 5 km de la costa.

Los cementos resistentes a los sulfatos (SR) o al agua de mar (MR) son muy útiles para obras en contacto con terrenos yesíferos o aguas selenitosas y deben tener bajo contenido en aluminatos. Este tipo de cementos tienen limitado en su composición un contenido en aluminato tricálcico y del alumino-ferrito tetracálcico, según la norma UNE-EN 197-1. Esta limitación en aluminato tricálcico implica un bajo calor de hidratación, menor retracción y un desarrollo más lento de sus resistencias. A cambio, disminuye la trabajabilidad de las mezclas.

Según la vigente Instrucción de Recepción de Cementos (a fecha de hoy, la RC-16), se consideran cementos resistentes a los sulfatos, además de los definidos en el Anejo I relativos a la norma UNE-EN 197-1 (SR), aquellos con la característica adicional de resistencia a los sulfatos definidos en la norma UNE 80303-1 (SRC). Asimismo, se consideran cementos resistentes al agua de mar aquellos con la característica adicional de resistencia al agua de mar definidos en la norma UNE 80303-2.

Se usarán cementos resistentes a los sulfatos en obras de hormigón en masa o armado, siempre que su contenido, expresado en iones sulfato, cuyos contenidos sean igual o mayor que 600 mg/l en el caso de aguas, o 3.000 mg/kg en el caso de suelos. Según el Capítulo 7 del Código Estructural, estos límites se ven superados en el caso de las clases de exposición XA2 y XA3, correspondientes al ataque medio y fuerte en un medio agresivo (no sería, por tanto, necesario un cemento sulforresistente en la clase XA1). En el caso de que un elemento estructural de hormigón en masa, armado o pretensado se encuentre sometido al ataque de agua de mar, el cemento a emplear deberá tener la característica adicional de resistencia al agua de mar o, en su defecto, la característica adicional de resistente a sulfatos. Lo anterior no será de aplicación en el caso de que se trate de agua de mar o el contenido en cloruros sea superior a 5.000 mg/l (Art. 43.3.4.1 del Código Estructural).

En el caso de elementos de hormigón en masa en contacto con agua de mar, y por tanto sometidos a una clase de exposición XA2, y en el caso de elementos de hormigón armado o pretensado que vayan a estar sometidos a una clase de exposición XS2 o XS3, se utilizará un cemento con la característica adicional MR, SR o SRC, según la Instrucción para la recepción de cementos vigente (Art. 43.3.4.2 del Código Estructural).

El Código Estructural recoge en su Anejo 6 las recomendaciones para la selección del tipo de cemento a emplear en hormigones estructurales. Este anejo no hace más que aconsejar, con carácter general, las condiciones que debe cumplir el cemento para su empleo según la instrucción vigente para la recepción de cementos. Además, deberá elegirse el tipo de cemento considerando la aplicación del hormigón, las circunstancias del hormigonado y las condiciones de agresividad ambiental a las que va a estar sometido el elemento de hormigón.

La aplicación estructural, en el caso de las cimentaciones, el Código diferencia entre las ejecutadas con hormigón en masa y las realizadas con hormigón armado. En ambos casos, es necesario cumplir las prescripciones de la vigente Instrucción de Recepción de Cementos relativas al empleo de la característica adicional de resistencia sulfatos (SR o SRC) o al agua de mar (MR), cuando corresponda.

  • En el caso de cimentaciones de hormigón en masa, son muy adecuados los cementos comunes tipo CEM IV/B, siendo adecuados el resto de cementos comunes, excepto los CEM II/A-Q, CEM II/B-Q, CEM II/A-W, CEM II/B-W, CEM II/A-T, CEM II/B-T y CEM III/C. En todos los casos es recomendable la característica adicional de bajo calor de hidratación (LH).
  • Si se trata de cimentaciones de hormigón armado, son muy adecuados los cementos comunes tipo CEM I y CEM II/A, siendo adecuados el resto de cementos comunes a excepción de los CEM III/B, CEM III/C, CEM IV/B, CEM II/A-Q, CEM II/B-Q, CEM II/A-W, CEM II/B-W, CEM II/A-T y CEM II/B-T.
Figura 3. Cemento sulforresistente CEM I 42,5 R-SR5

Atendiendo a la clase de exposición, los tipos de cementos recomendados para la clase XA (ataque químico al hormigón por sulfatos) son los mismos que los aconsejados para la clase XS (corrosión de las armaduras por cloruros de origen marino). En ambos casos, son muy adecuados los cementos CEM II/S, CEM II/V (preferentemente los CEM II/B-V), CEM II/P (preferentemente los CEM II/B-P), CEM II/A-D, CEM III, CEM IV (preferentemente los CEM IV/A) y CEM V/A. Se recuerda que en la clase de exposición XS, es necesario el empleo de cementos que cumplan las prescripciones relativas a la característica adicional de resistencia al agua de mar (MR).

Para el caso de las clases XA2 o XA3 (moderada o alta agresividad química), es necesario el empleo de cementos que cumplan las prescripciones relativas a la característica adicional de resistencia a los sulfatos (SR o SRC), tal y como establece el articulado del Código. En los casos en que el elemento esté en contacto con agua de mar será únicamente necesario que cumplan las prescripciones relativas a la característica adicional de resistencia al agua de mar (MR).

Una relación agua/cemento baja en la dosificación de un hormigón se ve menos afectada por los sulfatos que si es alta, pues provoca que el hormigón sea menos permeable. Además, un contenido de cemento elevado garantiza una mayor durabilidad del hormigón. Es por ello que la Tabla 43.2.1.a del Código indica una relación agua/cemento máxima de 0,50 para las clases XS1 (expuesto a aerosoles marinos, pero no en contacto con el agua del mar) y XS2 (permanentemente sumergido en agua de mar), que se reduce a 0,45 en XS3 (zonas de carrera de mareas o sapicaduras). El contenido mínimo de cemento (kg/m3) será de 300, 325 y 350 para XS1, XS2 y XS3, respectivamente. En el caso de ambiente XA1 (débil agresividad química) y XA2 (moderada agresividad química), la máxima relación agua/cemento es de 0,50, mientras que en XA3 (alta agresividad química), es de 0,45. El contenido mínimo de cemento (kg/m3) será de 325, 350 y 350 para XA1, XA2 y XA3, respectivamente.

La Tabla 43.2.1.b del Código indica la resistencia característica mínima alcanzable para un hormigón fabricado con un cemento de categoría resistente 32,5 R con los contenidos mínimos de cemento y máxima relación agua/cemento indicados en la Tabla 43.2.1.a del Código. Para hormigón en masa, la exposición XS no presenta mínimos, mientras que para hormigón armado, es de 30 N/mm² para XS1 y XS2, y de 35 N/mm² para XS3. En la exposición XA1 y XA2, la resistencia mínima es de 30 N/mm² tanto en hormigón armado o en masa, mientras que para XA3, es de 35 N/mm², en cualquier caso.

Además, una adecuada colocación del hormigón, con un control del vibrado y del curado, pueden mejorar su resistencia a los sulfatos, siempre y cuando se cumplan con las condiciones anteriormente mencionadas. Tampoco debe olvidarse que, en el caso del hormigón armado, deben guardarse unos recubrimientos mínimos que dependerán del tipo de cemento usado, de la vida útil de proyecto y de la clase de exposición, según se desprende del Capítulo 9 del Código Estructural, relativo a la durabilidad de las estructuras de hormigón.

Tabla. Requisitos de dosificación y de resistencia mínima esperada del hormigón para clases de exposición XS y XA, según el Código Estructural.

Os dejo unos vídeos explicativos.

También os dejo un artículo, que creo de interés.

Descargar (PDF, 4.68MB)

Referencias:

ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.

CALAVERA, J. et al. (2004). Ejecución y control de estructuras de hormigón. Intemac, Madrid, 937 pp.

GALABRU, P. (1964). Tratado de procedimientos generales de construcción. Obras de fábrica y metálicas. Editorial Reverté, Barcelona, 610 pp.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F. (2014). Fabricación, transporte y colocación del hormigón. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, 189 pp.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Licencia de Creative Commons
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Hormigón reforzado con fibra de vidrio

Figura 1. Fibra de vidrio. https://fibereagle.com/refuerzo-de-hormigon-con-fibra-de-vidrio/

El mortero de cemento reforzado con fibra de vidrio (GRC, en inglés), combina un mortero de cemento con fibras cortas de vidrio. Su evolución comenzó en la década de 1950 con la idea de incorporar fibras de vidrio en lugar de usar armaduras de hormigón. Sin embargo, el GRC actual surgió en los años 60 debido al reemplazar las fibras de amianto, que eran cancerígenas. Los primeros tipos empleaban fibras de vidrio basadas en sílice y mortero de cemento Portland. Sin embargo, estas propiedades a corto plazo se deterioraban debido a la corrosión de las fibras por el cemento. Para ampliar las aplicaciones del GRC, se desarrollaron fibras de vidrio resistentes a ambientes alcalinos, con circonio como elemento base, denominadas “alcali resistant “o AR.

El GRC sobresale por su resistencia mecánica y capacidad de adaptación en aplicaciones no estructurales, lo que lo convierte en un valioso recurso en proyectos de ingeniería civil y arquitectura que buscan soluciones estéticas y funcionales. Su flexibilidad en el diseño lo hace idóneo para la creación de diversas formas con grosores de aproximadamente 10 mm, sin el uso de armaduras. En la ingeniería civil, el GRC se aplica a elementos prefabricados para saneamiento, encofrados perdidos, pantallas de aislamiento acústico y revestimiento de túneles. La versatilidad de este material, en términos de diseño, permite la creación de encofrados perdidos con mosaicos y formas sumamente complejas.

Figura 2. Fachada de GRC para el Palacio de Justicia de Córdoba. https://arqzon.com.mx/2021/06/23/grc-concreto-reforzado-fibra-de-vidrio-en-la-construccion/

El mortero reforzado con fibra de vidrio se caracteriza por su resistencia al agrietamiento y a la tracción mecánica. Además, es eficaz en la prevención de daños por impacto y aumenta su capacidad de deformación, lo que contribuye a una mayor resistencia a las tensiones externas. También destaca su resistencia a la congelación, la descongelación, la fatiga, el peso y los cortes. Además, reduce significativamente la segregación, el sangrado y las filtraciones de líquidos, mejorando la integridad de las estructuras en las que se utiliza.

Las fibras de vidrio suelen tener un módulo de elasticidad a 25 °C de 70 GPa, una resistencia a tracción de una fibra de 3600 MPa (de 1750 MPa si es un haz de fibras) y una deformación en rotura del 2%. Es importante destacar que las fibras de vidrio no son monolíticas, pues se componen por un haz de alrededor de 200 filamentos de vidrio, cada uno con un diámetro de unos 10-20 μm.

La cantidad necesaria de fibra de vidrio varía en función del método de fabricación. Hay que prestar cuidado a que las cantidades de cada componente sea la justa. Así se evita que la fibra de vidrio aparezca en la superficie, al tiempo que se consigue obtener la máxima resistencia. Si el GRC se proyecta, se añade una fracción volumétrica del 5% de fibras de vidrio. Cuando se opta por una mezcla premezclada de fibras y mortero de cemento, la fracción se reduce al 3,5%. La longitud de las fibras empleadas se encuentra en el rango de 25 a 40 mm. El cemento Portland es prácticamente el único empleado en la fabricación de GRC. La arena suele ser de origen silíceo. Además, suele añadirse un plastificante que confiere al mortero la viscosidad adecuada. Asimismo, se pueden introducir diversos aditivos y pigmentos para lograr que los elementos adquieran el aspecto deseado.

Por lo general, se emplean cantidades iguales de cemento y arena, con una relación agua/cemento en torno a 0,4. No obstante, esta relación puede ajustarse para lograr la fluidez adecuada al proceso de fabricación. Para evitar un exceso de agua, se recurre a superplastificantes. Para mantener las características del material en etapas avanzadas de su vida útil, en ocasiones se recurre al humo de sílice o al metacaolín. Es importante destacar que el GRC cambia sus propiedades con el paso del tiempo, con una pérdida apreciable de ductilidad y capacidad de carga.

Hoy día se emplean tres métodos principales para la fabricación del GRC: la proyección conjunta del GRC, la mezcla previa de GRC y la mezcla previa de GRC con posterior proyección. Cada uno de estos métodos presenta sus propias variantes y particularidades. Veamos las características de cada uno de ellos.

Fabricación por proyección conjunta

La proyección se ejecuta mediante una pistola que dispara las fibras y el mortero por orificios separados, los cuales se unen y mezclan en el molde. Una bobina suministra una cuerda de fibras de vidrio que se corta a la longitud deseada en el cabezal de la pistola. Por su parte inferior fluye el mortero a través de una manguera. La consistencia del mortero debe ser fluida para facilitar la proyección. Hay dos posibilidades, la proyección manual y la proyección automática.

En la proyección manual, se aplica un desencofrante en el molde y se efectúa una primera pasada depositando el material mediante movimientos oscilantes. Una vez que el molde presenta una fina capa del material, se utiliza un rodillo helicoidal para que el mortero y las fibras se adapten a la forma del encofrado. La proyección continúa hasta alcanzar el espesor deseado, y finalmente, se emplea una llana sobre la superficie libre para lograr uniformidad. Requiere una gran cantidad de mano de obra, pero este método ofrece resultados de alta calidad, particularmente cuando el operario posee la experiencia adecuada. En España, este método de fabricación es el habitual.

La proyección automática se emplea en la fabricación de paneles rectangulares de formas simples y planas. Aunque es menos versátil que el método manual, también existen dos variantes: una utiliza un cabezal de proyección móvil, mientras que el otro implica el movimiento del molde. En ambos casos, se regula la velocidad de proyección para asegurar una distribución precisa del material. Para igualar el espesor de la pieza, se recurre a un sistema automático que pasa una llana, un rodillo u otra herramienta sobre la cara expuesta del material.

La principal ventaja de este método es su capacidad para lograr una mayor producción a un menor costo. Además, el sistema automatizado se ha mejorado mediante moldes con pequeños agujeros que evacuan el exceso de agua. Esto reduce la relación agua/cemento, aumenta la densidad del material y mejora sus propiedades mecánicas. Otra variante de este método pasa por aplicar una carga en la cara libre del material para que la mezcla se adapte con precisión a los diseños y patrones del molde.

Fabricación por premezclado

El método de premezclado implica la combinación previa del cemento, fibras de vidrio, agua, arena, plastificante y adiciones, antes de verterlos en el molde. Hay que preparar el mortero de cemento y luego incorporar las fibras de vidrio. Para evitar que las fibras se enreden, se sumergen en aditivos que las lubrican, facilitando su dispersión en la matriz de mortero. Es esencial minimizar el tiempo de mezcla del mortero y las fibras para prevenir la segregación y la pérdida de agua en la mezcla. Una vez se han mezclado los componentes, la pasta se vierte en los moldes. Luego, se someten los moldes a una vibración externa para eliminar burbujas de aire y espacios vacíos. Si es necesario rellenar moldes con cavidades, es preferible la inyección del GRC premezclado, aunque puede dañar las fibras y, a veces, introducir burbujas de aire.

Fabricación por premezclado y proyección

En los últimos años, ha surgido un método conocido como “sprayed premix.” Las fibras de vidrio se integran durante la mezcla del mortero y, posteriormente, se proyectan ambos componentes, ya mezclados, en el molde. A pesar de obtener resultados similares a la proyección tradicional, la calidad de los elementos fabricados depende en menor medida de la destreza del operario; la determinación del contenido de fibra se realiza en peso, más preciso que el método tradicional; se elimina la formación de burbujas en la mezcla, y la maquinaria de proyección se simplifica considerablemente.

Os dejo algún vídeo explicativo que espero os sea de interés.

Referencias:

ACHE (2000). Monografía M-2. Manual de tecnología del hormigón reforzado con fibras de acero.

GÁLVEZ, J.C.; ALBERTI, M.G.; ENFEDAQUE, A.; PICAZO, A. (2019). Fundamentos de hormigón reforzado con fibras. García-Maroto Editores, 51 pp.

SERNA, P. (2007). Recientes ejemplos estructurales de aplicación de hormigón de fibras. Monografía sobre aplicaciones estructurales de hormigones con fibras, pp. 33-47.

Estabilización de suelos con cemento

Figura 1. https://www.obrasurbanas.es/stabile-estabilizacion-suelos-carreteras/

Un suelo se puede estabilizar con cemento. Según el artículo 512 del PG3, consiste en la mezcla íntima, convenientemente compactada, de terreno, cemento, agua y eventualmente adiciones, a la cual se le exigen unas determinadas condiciones de insusceptibilidad al agua, resistencia y durabilidad.

En efecto, al fraguar e hidratarse los silicatos y aluminatos cálcicos anhidros, une las partículas del suelo, reduce su sensibilidad al agua, disminuye la deformación del suelo estabilizado y proporciona cierta resistencia a tracción según la dosificación empleada. Se pueden estabilizar tanto los suelos granulares como los de grano fino, excepto si son muy plásticos o presentan mucha humedad. En este último caso, se podrían tratar previamente con cal. No se podrán utilizar suelos con material vegetal u orgánica, o cualquier otra sustancia que perjudiquen el fraguado del cemento.

Según las propiedades de la mezcla resultante, el suelo estabilizado con cemento se puede dividir en dos grupos:

  • Suelos mejorados con cemento, al que se agrega una cantidad relativamente pequeña de cemento para mejorar algunas propiedades, como es su sensibilidad a los cambios de humedad o su mayor capacidad de soporte, quedando suelto el material tras su tratamiento. Es una técnica orientada a mejorar las explanadas. La mezcla se realiza in situ, con dosificaciones inferiores al 3% sobre el peso seco del suelo. El PG3 los clasifica en S-EST 1 y S-EST 2.
  • Suelos estabilizados con cemento, donde tras el fraguado del cemento, se obtiene un material con cierta resistencia mecánica. No se trata de un hormigón, pues los granos no se ven envueltos en pasta de cemento, sino que su unión es puntual. El PG3 los divide en S-EST 3 si la resistencia a compresión a 7 días es de 1,5 MPa, para uso en explanadas, y los suelos estabilizados para subbases y bases, donde se eleva dicha resistencia mínima a 2,5 MPa. En este último caso, su denominación habitual es suelocemento, cuya fabricación se realiza en central. Se exige un adecuado curado, lo que implica que tras la extensión y compactación de la capa, se riega con una emulsión bituminosa de rotura rápida para evitar la evaporación prematura.

Se necesitaría un elevado contenido de cemento si el suelo presenta muchos finos plásticos, lo que, además, dificultaría el mezclado. Por ello se limitan los tratamientos con cemento a suelos que cumplan las siguientes condiciones:

  • Límite líquido < 40 en los S-EST 2 y S-EST 3
  • Índice de plasticidad < 15
  • Cernido ponderal por el tamiz UNE 2 mm > 20 %
  • Cernido ponderal por el tamiza UNE 0,063 mm ≤ 35 % (50 % en los S-EST 1 y S-EST 2)

Con carácter general, el procedimiento constructivo de una estabilización con cemento para por las siguientes fases: preparación del terreno, mezclado “in situ” o en central, compactación, ejecución de juntas y curado de la mezcla. Normalmente se compacta por capas de 20 a 30 cm.

Los cementos más adecuados para estabilizar suelos son aquellos que presentan un plazo elevado para que se puedan trabajar fácilmente, un moderado calor de hidratación y un lento desarrollo de resistencia que minimice las fisuras de retracción. Por ello son adecuados cementos con mayor contenido de adiciones activas (escorias de horno alto, puzolanas naturales y cenizas volantes), tales como los tipos CEM III, IV y V.

Os dejo un enlace al “Manual de estabilización de suelos con cemento o cal” que creo os puede ser de ayuda. También os aconsejo acudir a la página web de ANTER (Asociación Nacional Técnica de Suelos y Reciclado de Firmes).

Aquí podéis ver una pequeña explicación de la profesora Ana María Pérez, de la Universitat Politècnica de València, de lo que es un suelocemento.

Os dejo algunos vídeos de esta técnica de mejora de suelos.

A continuación os dejo una guía de soluciones para obras de estabilización de suelos, ejecución de suelo-cemento in situ y reciclado de firmes elaborada por la Asociación Nacional Técnica de Estabilizados de Suelos y Reciclados de Firmes (ANTER).

Descargar (PDF, 5.38MB)

Referencias:

JOFRE, C.; KRAEMER, C. (dir.) (2008). Manual de estabilización de suelos con cemento o cal. Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones (IECA), 217 pp.

KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para la fabricación y puesta en obra de mezclas bituminosas. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 749.

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.

Licencia de Creative Commons
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Procedimientos empleados en la inyección de terrenos

Figura 1. Inyección de una perforación por tramos (Cambefort, 1968)

En artículos anteriores se habló de los materiales empleados en la inyección de terrenos, de las técnicas de inyección del terreno y de los tipos de lechadas y aplicabilidad de los materiales de inyección de terrenos. Como decíamos, esta técnica consiste en introducir en el medio una mezcla fluida que reacciona con las partículas de suelo mediante una reacción hidráulica o química. De esta forma se conforma una masa de mayor resistencia mecánica y permeabilidad, así como menor deformabilidad, pues se consigue aumentar la compacidad, disminuyendo el índice de huecos. En este artículo nos centraremos en los procedimientos empleados en la inyección del terreno.

Un tubo facilita la inyección y evita que la lechada escape al exterior del taladro por el camino más fácil, que suele ser el contacto entre el terreno y el tubo de revestimiento o bien entre el obturador y el exterior del tubo de inyección. La inyección se puede realizar mediante los siguientes procedimientos:

  • Inyección desde la boca de la perforación: se vierte la lechada por gravedad desde la boca del sondeo, obturando en la parte superior. Se utiliza la técnica en rocas con grandes huecos.
  • Inyección ascendente: primero se hinca un tubo y se inyecta a medida que se extrae por tramos de 30 cm. La inyección se realiza por tramos sucesivos, empezando desde la parte inferior del terreno a inyectar hasta la zona superior. Se obtura a distintas profundidades y se aplican presiones de inyección decrecientes. Es una técnica más rápida y barata que la inyección por fases decrecientes, permitiendo independizar la perforación de la inyección.
  • Inyección al avance o por fases descendentes: se perfora un tramo, se retira el varillaje y se inyecta. Tras el fraguado ligero de la lechada, se perfora el tramo inyectado y un tramo nuevo, continuando el proceso. La idea es ir creando techos sucesivos que permitan ir aumentando la presión de inyección. Es una técnica cara, que debe evaluarse bien antes de su uso.
  • Inyección por fases repetitivas mediante tubos-manguito: se perfora y se introduce un tubo ranurado de 50-60 mm de diámetro, sin reperforación, cuyos orificios exteriores se cierran con manguitos de goma que actúan como válvulas anti-retorno, por los que sale la lechada. Se puede inyectar a cualquier nivel y orden o reinyectar mediante un doble obturador. Si se conoce la granulometría de cada capa, se puede ajustar la mezcla de inyección. La lechada de sellado debe ser de baja resistencia (0,3-0,5 MPa) y frágil. Para disminuir la resistencia se puede añadir un 3-4% de bentonita.

A continuación se describe el uso de cada una de estas técnicas en función si la inyección se realiza en terrenos rocosos o bien en terrenos sueltos.

  • Inyección en terrenos rocosos: Lo más habitual es utilizar la inyección por etapas descendentes y la inyección por etapas ascendentes. En macizos de calidad baja se emplea la inyección por etapas descendentes; aquí no tenemos la seguridad de que las paredes de la perforación se sostengan, no van a poder aguantar la presión de inyección, o la estructura geológica puentee la lechada, cementándose los obturadores, con la consiguiente pérdida de obturadores y taladro. En rocas de calidad media o alta se usa la inyección per etapas ascendentes.
  • Inyección en terrenos sueltos: Se utilizan las inyecciones descendentes, las inyecciones armadas, la inyección con puntaza perdida y el jet grouting. En las inyecciones descendentes se procede como en roca, pero la perforación se realiza a rotación con corona del mismo diámetro que la varilla y la inyección se realiza a través del varillaje de perforación. En las inyecciones armadas se introduce un tubo de paredes lisas dentro del taladro, perforando cada cierta distancia de modo que estas perforaciones se cubren con un manguito de caucho que sirve como válvula anti retorno; el espacio anular entre el tubo y las paredes de la perforación se rellena con una mezcla bentonita-cemento, de poca resistencia, que hace de obturador longitudinal y evita que la lechada fluya por la corona anular del taladro pero que se rompe al inyectar; la inyección se hace situando un obturador doble a nivel del manquito que se quiera inyectar. En la inyección con puntaza perdida se perfora con una puntaza de diámetro mayor que la varilla, inyectándose conforme se retira el varillaje; es un método barato con ciertas limitaciones. Con el jet grouting se realizan inyecciones a muy altas presiones, siendo procedimiento que se verá en detalle en una lección posterior.

El procedimiento más habitual es la inyección ascendente, con unas presiones normales de 1 a 3 MPa, aunque este rango se puede ampliar desde los 0,5 a los 8 MPa. Los taladros se separan entre 1 y 4 m. La relación entre el volumen inyectado y el de huecos del terreno es muy variable, entre el 40% en el caso de gravas abiertas o rellenos flojos mal compactados, al 10-20% para terrenos arenosos relativamente compactos. En la inyección de suelos, la técnica más común es la de tubo-manguito.

La longitud máxima de cada tramo de tratamiento varía entre 5 y 10 m. En suelos, la longitud tratada no suele superar el metro de longitud. Los taladros se separan según el tipo de terreno y las presiones que puedan aplicarse. En la Tabla 1 se indica la separación recomendada entre taladros de inyección, para algunas de las aplicaciones habituales:

De todas formas, es importante controlar la presión de la inyección, pues una presión nula puede indicar una pérdida de inyección, una presión excesiva puede dar lugar a levantamientos o giros en el caso de estructuras próximas. Siempre que sea posible se debe realizar un control informatizado de la perforación, así como medir y controlar la presión, el caudal y el volumen de las inyecciones en cada punto.

Por último, hay que tener presente que la inyección del terreno es una operación “ciega”, en el sentido que no se conoce realmente por dónde fluye la mezcla, por ejemplo, por desconocer la red de fracturación. Por tanto, se suelen extraer testigos después de las inyecciones para comprobar los resultados.

Referencias:

 

Licencia de Creative Commons
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Tipos de lechadas y aplicabilidad de los materiales de inyección de terrenos

Figura 1. Inyección de suelos. https://www.keller.com.es/experiencia/tecnicas/inyeccion-de-macizos-rocosos-suelos

En artículos anteriores se habló de los materiales empleados en la inyección de terrenos y de las técnicas de inyección del terreno. Como decíamos, esta técnica consiste en introducir en el medio una mezcla fluida que reacciona con las partículas de suelo mediante una reacción hidráulica o química. De esta forma se conforma una masa de mayor resistencia mecánica y permeabilidad, así como menor deformabilidad, pues se consigue aumentar la compacidad, disminuyendo el índice de huecos. En este artículo nos centraremos en los tipos de lechadas y la aplicabilidad de los materiales empleados en la inyección del terreno.

Se pueden distinguir tres tipos de lechadas:

  • Suspensiones inestables: Normalmente son mezclas de cemento diluido con agua en exceso en proporciones variables, no homogéneas, que sedimentan cuando cesa la agitación. Se emplean en rocas o materiales granulares gruesos.
  • Suspensiones estables: Se obtienen por disolución de arcilla y cemento en agua. Con la dosificación adecuada, con una fuerte agitación y con aditivos estabilizadores, se consigue que no se produzca la sedimentación durante la inyección.
  • Líquidos o disoluciones: No contienen partículas sólidas en suspensión, encontrándose en solución o en emulsión los componentes químicos en el agua. Están constituidos por productos químicos como silicatos, resinas orgánicas y productos hidrocarbonados puros. Mantienen constante su viscosidad, hasta el momento de la solidificación.

El sistema de inyección utilizado en cada caso depende de numerosos parámetros como la granulometría, la porosidad, la porosidad, la permeabilidad y las condiciones del agua subterránea, especialmente su composición química y velocidad de circulación. Además, existen numerosos productos en el mercado que se pueden adecuar en mayor o menor medida a las características específicas del terreno, por lo que suele ser habitual consultar a empresas especializadas.

En la Figura 2 se puede ver la aplicabilidad de distintos tipos de inyecciones atendiendo al tamaño de las partículas del suelo a inyectar. Se aprecia que el jet grouting se aplica, en general, a todo tipo de tamaño de partículas, excluyendo los bolos.

Figura 2. Aplicabilidad de distintos materiales de inyección según el tamaño de partículas del suelo (Kutzner, 1996)

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.
  • KUTZNER, C. (1996). Grouting of rock and soil. A.A. Balkema, Rotterdam.
  • MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. 2004.844. Valencia.
  • MINISTERIO DE FOMENTO (2005). Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas y Portuarias. ROM 0.5-05. Puertos del Estado, Madrid.
  • SANZ, J.M. (1981). Procedimientos generales de construcción. Sondeos y perforaciones, inyecciones, pilotes, pantallas continuas. E.T.S. Ingenieros de Caminos, Madrid.
  • 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.

 

Licencia de Creative Commons
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Técnicas de inyección del terreno

Figura 1. Tipos principales de inyección del terreno

En un artículo anterior se habló de los materiales empleados en la inyección de terrenos. Como decíamos, esta técnica consiste en introducir en el medio una mezcla fluida que reacciona con las partículas de suelo mediante una reacción hidráulica o química. De esta forma se conforma una masa de mayor resistencia mecánica y permeabilidad, así como menor deformabilidad, pues se consigue aumentar la compacidad, disminuyendo el índice de huecos. En este artículo nos centraremos en las técnicas de inyección del terreno.

Todo proceso de inyección presenta dos facetas características (Sanz, 1981):

  1. Introducción y distribución en el medio de la mezcla de inyección. Para que ello sea posible debe adecuarse, de acuerdo con la morfología de los huecos del terreno, de una red de perforación auxiliar y de unas presiones de inyección adecuadas.
  2. Transformación de la mezcla, que endurece según un proceso químico que puede ser desde el fraguado en el caso del cemento, a la transformación sol-gel, en el caso de inyecciones químicas.

Las técnicas de inyección se pueden dividir en los siguientes grupos (Figura 1):

  • Rellenos de huecos y fisuras: Se inyecta lechada en las fracturas, diaclasas o discontinuidades de las rocas; o se rellenan los huecos con una lechada con un alto contenido de partículas. En este caso, el producto se introduce básicamente por gravedad hasta colmatar los huecos. Con grandes huecos, conviene introducir en las lechadas áridos o productos de alto rendimiento volumétrico.
  • Inyecciones de impregnación: No existe rotura del terreno. Se emplean mezclas muy penetrantes, cuyo objetivo principal es disminuir la permeabilidad del terreno rellenando poros y fisuras. Se sustituye el agua o el gas intersticial con una lechada inyectada a baja presión para no producir desplazamientos de terreno.
  • Inyecciones de compactación o de desplazamiento: Se introducen morteros de alta fricción interna que comprimen el terreno flojo y lo desplaza lateralmente de forma controlada, sin que el material inyectado se mezcle con él.
  • Inyecciones de fracturación hidráulica o por tubos manquito: Se fractura el terreno mediante la inyección de la lechada a una presión que supere su resistencia a tracción y su presión de confinamiento. La lechada no penetra en los poros, sino que se introduce en las fisuras creadas por la presión utilizada, formándose lentejones que recomprimen el terreno. Esta técnica también se llama hidrofracturación, hidrofisuración, “hidrojacking” o “claquage”. Son útiles en inyecciones de consolidación, de compensación de asientos, e inyecciones armadas. Para ello se suelen realizar con tubos manguito.
  • Inyección de alta presión: Se excava y mezcla el terreno con un chorro de lechada a alta velocidad (jet-grouting).

Las propiedades más importantes de las mezclas de inyección son las siguientes (Muzas, 2007):

  • Estabilidad y posibilidad de segregación: una velocidad pequeña del fluido puede sedimentar la mezcla y paralizar la inyección.
  • Viscosidad del producto: determina la presión y la velocidad de inyección.
  • Propiedades reológicas: comportamiento de la lechada a lo largo del tiempo.
  • Tiempo de fraguado: limita el plazo de utilización del producto en la inyección.
  • Volumen del producto fraguado: en las mezclas con agua, puede haber decantación o pérdida de agua al terreno contiguo, con disminución del volumen final.
  • Resistencia del producto fraguado.
  • Durabilidad: permanencia del producto fraguado a largo plazo.

En cuanto a los parámetros de la inyección, los más importantes son la velocidad de la inyección, el volumen de inyección, y la presión de inyección. La presión está muy relacionada con el tipo de terreno y con la viscosidad del producto, aconsejándose un valor límite.

Figura 2. Esquemas de algunas técnicas de inyecciones (ROM 5.05)

He preparado un pequeño vídeo donde os explico brevemente estas técnicas de inyección de terrenos.

Os dejo un vídeo donde vemos la instalación de tubos-manguito para trabajos de inyección de compensación.

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.
  • KUTZNER, C. (1996). Grouting of rock and soil. A.A. Balkema, Rotterdam.
  • MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. 2004.844. Valencia.
  • MINISTERIO DE FOMENTO (2005). Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas y Portuarias. ROM 0.5-05. Puertos del Estado, Madrid.
  • SANZ, J.M. (1981). Procedimientos generales de construcción. Sondeos y perforaciones, inyecciones, pilotes, pantallas continuas. E.T.S. Ingenieros de Caminos, Madrid.
  • 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.

 

Licencia de Creative Commons
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Materiales empleados en la inyección de terrenos

Figura 1. Proceso de colmatación de los huecos mediante inyección del terreno

La presencia de suelos con permeabilidad muy alta o macizos rocosos muy fracturados pueden hacer que los bombeos sean excesivamente costosos y se precisen otro tipo de técnicas para controlar el nivel freático. Una forma de cambiar la permeabilidad de un terreno, y por tanto, contener mediante barrera el agua subterránea, es mediante la inyección del terreno. La técnica, muy utilizada también como mejora del terreno, consiste en introducir en el medio una mezcla fluida que reacciona con las partículas de suelo mediante una reacción hidráulica o química. De esta forma se conforma una masa de mayor resistencia mecánica y permeabilidad, así como menor deformabilidad, pues se consigue aumentar la compacidad, disminuyendo el índice de huecos (Figura 1).

El tratamiento del terreno con inyecciones depende tanto de las peculiaridades del medio a tratar como de las características del producto de inyección, así como de la forma en la que este producto se introduce en el medio.

Este procedimiento constructivo se inició en Francia, siendo su inventor Charles Bérigny en 1802, quien inyectó morteros de cemento, alguna vez asociados con puzolanas. Si bien al principio solo se pretendían rellenar huecos colocando el mortero líquido por gravedad, poco a poco se perfeccionaron las inyecciones, a partir de 1920-1930, donde la construcción de ferrocarriles abrió paso a las grandes obras hidráulicas.

Las aplicaciones más frecuentes de la inyección del terreno son los tratamientos de las cimentaciones de presas, el refuerzo de cimentaciones o recalce de edificios, así como la construcción de túneles. Sin embargo, hay que ser prudentes con estos procedimientos, pues la inyección de grandes volúmenes de material en el terreno puede causar desplazamientos. Además, el material inyectado tiende a moverse a través de las capas más permeables o a través de grietas débiles, surgiendo a menudo a distancias considerables del punto de inyección.

En el caso de las inyecciones de impermeabilización, el objetivo fundamental es reducir la permeabilidad del terreno. Son tratamientos muy habituales en presas, en túneles y en excavaciones en general, cuando se realizan trabajos bajo nivel freático. Se emplean como mezclas de inyección lechadas y productos químicos como los geles de silicato, aunque también es posible realizar inyecciones de colmatación de huecos mediante arenas sin cemento con objeto de disminuir la permeabilidad, permitiendo el drenaje. A medida que la permeabilidad del medio disminuye, se deben emplear fluidos de menor viscosidad para conseguir la suficiente penetración en el terreno.

Al fluido inyectado se le conoce como mortero de inyección, los cuales pueden ser conglomerados hidráulicos, materiales arcillosos, arenas y filleres, agua y productos químicos. El componente más habitual en las inyecciones es el cemento, el cual puede ir acompañado por distintos productos. Los materiales utilizados en la inyección son los siguientes:

  • Conglomerantes hidráulicos: Incluyen los cementos y productos similares empleados en suspensión cuando se preparan las lechadas. La granulometría del conglomerante hidráulico de la lechada es un factor importante, pues guarda relación con las dimensiones de los huecos o fisuras o huecos existentes.
  • Materiales arcillosos: Las arcillas naturales, de tipo bentonítico, activadas o modificadas, se utilizan en las lechadas elaboradas con cemento, pues reducen la sedimentación y varían la viscosidad y la cohesión de la lechada, mejorando la bombeabilidad.
  • Arena y filleres: Se adicionan a las lechadas de cemento y a las suspensiones de arcilla para variar su consistencia, mejorando de esta forma su comportamiento frente a la acción del agua, su resistencia mecánica y su deformabilidad. Generalmente se utilizan arenas naturales o gravas, filleres calcáreos o silíceos, puzolanas y cenizas volantes, exentos de elementos perjudiciales.
  • Agua
  • Productos químicos: Se utilizan silicatos y sus reactivos, resinas acrílicas y epoxi, materiales procedentes de lignina y poliuretanos, siempre que cumplan la legislación ambiental vigente. Los aditivos son productos orgánicos e inorgánicos que se añaden, en general en cantidades reducidas, a la lechada para modificar sus propiedades y controlar la viscosidad, el tiempo de fraguado y la estabilidad, durante la inyección, además de la resistencia, cohesión y permeabilidad una vez colocada la lechada. Como aditivos se utilizan, entre otros, superplastificantes, productos para retener agua y productos para arrastrar aire.

En la Tabla 1 se relacionan los distintos tipos de productos:

Os paso a continuación un vídeo explicativo de los materiales empleados en la inyección de terrenos.

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.
  • KUTZNER, C. (1996). Grouting of rock and soil. A.A. Balkema, Rotterdam.
  • MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. 2004.844. Valencia.
  • SANZ, J.M. (1981). Procedimientos generales de construcción. Sondeos y perforaciones, inyecciones, pilotes, pantallas continuas. E.T.S. Ingenieros de Caminos, Madrid.
  • 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.

 

Licencia de Creative Commons
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Contención del agua mediante inyección de lechadas estables

Figura 1. Inyección de impregnación. https://www.bacsol.co.uk/solution/permeation-grouting/

Los morteros estables son suspensiones en agua que no producen sedimentación durante un periodo dilatado de tiempo cuando se inyectan en el terreno (mínima exudación) y que tampoco producen el efecto bóveda al llegar a los intersticios. Esta propiedad permite que no se vayan cerrando las fisuras y se pueda aumentar a la vez la presión. Por eso se puede inyectar a baja presión, reduciendo el caudal lo necesario. Las lechadas estables son económicas en el caso de gravas y arenas finas, pues si los granos son demasiado finos (inferiores a 1 o 2 mm), el cemento no podrá penetrar en los huecos. También resultan convenientes para el taponamiento de grandes fisuras en macizos rocosos.

La estabilidad de una mezcla de inyección, que se refiere a la propiedad de mantener los granos de cemento en suspensión, es relativa, pues la estabilidad es suficiente si mantiene estas características durante la inyección. Normalmente se determina en el laboratorio la estabilidad mediante una prueba de sedimentación o de decantación. El artículo 676 del Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras considera que una suspensión es estable si cuando se coloca un litro en un cilindro graduado, al cabo de cuatro horas, el volumen superior de agua clara que sobre nada es inferior al 4% del volumen total.

Una mezcla con una fuerte dosificación de cemento consigue una sedimentación nula, pero es un fluido muy viscoso y no se puede inyectar (Cambefort, 1968), por lo que es necesario un estudio de laboratorio que permita conocer las proporciones adecuadas de cemento con otros componentes como la bentonita, que presenta propiedades coloidales, y aditivos, con propiedades estabilizadoras en función del peso del cemento.

Una mezcla estable se puede conseguir con una lechada de cemento activada. Se consigue de esta forma una dispersión óptima del cemento, bien por vía química con la utilización de aditivos, o bien por vía física con calentamiento y sobreagitación. Sin embargo, también se puede conseguir una suspensión estable con una mezcla de arcilla, fundamentalmente bentonita y silicato con cemento. Estas últimas lechadas, además de no sedimentar, presentan un fraguado muy lento, superior a las 24 horas.

Las suspensiones estables son, por lo general, una combinación de arcilla, cemento y arena que proporciona impermeabilidad una vez han endurecido. Tanto si la suspensión es estable o inestable, estas lechadas presentan una baja resistencia al corte por sí solas, por lo que al combinarla con las partículas del suelo se incrementa la resistencia al corte de la masa. Ello se debe a que una vez el fluido comienza a solidificarse, se generan fuerzas capilares en los granos, densificando el terreno y disminuyendo el volumen de huecos.

Es importante inyectar a baja presión en zonas a 5-10 m para evitar resurgencias y levantamientos. No obstante, como esta baja presión y la débil sedimentación no abren las fisuras, por ejemplo, en un macizo rocoso, resulta de interés inyectar un mortero inestable a alta presión después del fraguado del mortero estable. También es muy común, tras inyectar una lechada estable en gravas o arenas, inyectar una lechada inestable para rellenar los pequeños huecos que quedan de la casi despreciable sedimentación de la primera suspensión, así como un lavado a presión del macizo rocoso.

Las mezclas funcionan prácticamente a viscosidad constante, como verdaderos fluidos que se podrían bombear indefinidamente, por lo que se debe controlar la admisión de material, más que la presión. Ello se debe a que este tipo de inyecciones presentan un fraguado muy lento, no hay sedimentación de mortero ni taponamiento de huecos, por lo que el volumen de mortero estable inyectado no está limitado por los aumentos de presión tal y como ocurre con los morteros inestables. Por tanto, el sistema requiere cerrar el recinto a inyectar mediante taladros previos de contorno, avanzando el tajo de forma centrípeta.

Dentro de los morteros estables, se pueden distinguir los siguientes tipos, García Valcarce et al. (2003) distingue los siguientes tipos: bentonita-cemento, cemento-silicato, cemento-bentonita-silicato, cemento activado, suspensiones de arcilla, arcilla-cemento y arcilla-cemento-arena.

Si atendemos a los grupos más destacados de suspensiones estables, distinguimos los siguientes (Bielza, 1999):

  • Mezclas de cemento-bentonita: La bentonita constituye el principal aditivo para mejorar la estabilidad y penetración de la lechada de cemento. La bentonita es capaz de reducir la sedimentación de las partículas de mayor tamaño que componen la mezcla, y además reduce su coste aumentando el volumen de la lechada. Las lechadas de cemento y bentonita son útiles en la inyección de depósitos de gravas y arenas gruesas. Para estabilizar totalmente un cemento de inyección se precisa entre un 2 y un 5% de bentonita sódica; no debe superarse estas proporciones para no obtener productos esponjosos con baja resistencia a compresión y fraguado lento. La relación cemento/agua, en peso, varía de 1 a 2 para un 2% de bentonita, en cuyo caso la sedimentación es nula si c/a ≤ 1,4. Este rango varía de 1 a 1,7 para un 4% de bentonita, en cuyo caso la decantación es nula. La bentonita actúa como lubricante debido a su finura, lo que permite bombear suspensiones con una baja relación a/c, quedando rellenos los huecos o poros en una sola operación. Hay que tener presente que la adición de bentonita baja la resistencia e incrementa la plasticidad de la mezcla. Por otra parte, a veces se puede separar la bentonita del cemento, lo que puede ocasionar algunas fracturas rellenas solo de bentonita. Si es terreno es muy permeable, se puede añadir a la lechada silicato de sodio en 1 a 2% en relación al peso del cemento para acelerar el fraguado. Sin embargo, la dosificación debe determinarse en laboratorio.
  • Mezclas de cemento-silicato: Si se añade silicato de sodio a un mortero de cemento, se aumenta la rigidez, siendo esta mejora tanto más importante cuanto más fuerte es la dosificación del cemento. Además, si este tipo de mezcla permanece en reposo, la rigidez crece con el tiempo. Esto es muy evidente al cabo de una hora, donde existe una aceleración del fraguado del cemento debida al silicato. Estos morteros no son homogéneos, pues el silicato forma grumos. Para evitar estos grupos, sería necesario un periodo muy largo de agitación, por lo que son morteros que se utilizan poco.
  • Mezcla de cemento-bentonita-silicato: La adición de bentonita a una lecha de cemento retarda el fraguado y disminuye la resistencia mecánica, pero proporciona, como se ha visto anteriormente, un mortero homogéneo. El silicato acelera el fraguado pero produce un mortero grumoso. Por tanto, resulta interesante combinar ambos productos. La combinación da un mortero homogéneo que tiene una rigidez inicial más importante que solo con la bentonita, teniendo un comportamiento claramente tixotrópico.
  • Mortero de cemento activado: Una dosificación fuerte de cemento hace más débil la decantación, llegando incluso a una decantación nula. El problema es que este mortero no podría inyectarse. Sin embargo, con ciertos tratamientos, se obtiene la defloculación de los coloides de la suspensión y se obtienen morteros activados. Esta activación permite inyectar morteros de elevada dosis en cemento, que tengan una ligera o nula sedimentación. Además, esta activación hace el mortero menos deslavable y prácticamente no miscible en el agua.
  • Suspensiones de arcilla-cemento o inyecciones en suspensión: Es una mezcla compuesta de cemento portland, con una relación a/c entre 10 y 2,5 y lodo de arcilla. La arcilla aumenta el contenido de finos y mejora la penetrabilidad de la suspensión en el terreno, economizando cemento y mejorando la estabilidad y viscosidad de la suspensión como consecuencia de la capacidad de la arcilla para formar geles. La arcilla disminuye la sedimentación y la pérdida de agua de la suspensión. La estabilidad mejora con la calidad de la arcilla y con su proporción en la mezcla. El límite líquido y el índice de plasticidad de la arcilla deben ser inferiores a la de la bentonita (es decir, la arcilla no debe ser montmorillonita). Esta arcilla no afecta tanto a la viscosidad como la bentonita, por lo que se puede añadir a la mezcla en una mayor proporción. Además de la arcilla, se puede agregar arena, serrín, polivinilo, celofán o poliéster para mejorar sus propiedades. Las lechadas de arcilla-cemento son las más adecuadas para la impermeabilización, además de utilizarse en rocas fisuradas, incluso siendo muy porosas o presentando grandes cavidades. También se usan en suelos de una permeabilidad superior a 10-3 m/s, como es el caso de terrenos aluviales gruesos, siendo adecuados como pretratamiento. En estos casos la merma de fluidez que aporta las gruesas partículas de cemento no es tan trascendente, pues se utilizan en terrenos suficientemente permeables.
  • Mezclas de cemento especial (microcemento): Se utiliza el polvo de cemento microfino con una finura alrededor de 1,7 veces menor que la del cemento portland ordinario. Ello provoca una mayor superficie específica que mejora las propiedades físicas y reológicas, como la viscosidad y su evolución con el tiempo, el rendimiento, la resistencia a corte y la capacidad de penetración al emplear el microcemento con un agente dispersante. Es necesario en este tipo de mezclas un agente dispersante para que las partículas y los flóculos se mantengan entre 1 y 20 μm. Son mezclas muy útiles en la inyección de todo tipo de cimentaciones, especialmente en túneles y presas, pero son de muy elevado coste, comparable con el de las mezclas químicas. Las lechadas de microcemento pueden penetrar en arenas medias, pudiendo resistir umbrales de gradiente hidráulico superiores a 260. A diferencia de las mezclas químicas, con una capacidad de penetración similar, proporciona al medio una mayor resistencia adherente.
  • Suspensiones de arcilla: La penetrabilidad de las suspensiones de arcilla es función de su proceso de defloculación, que está regida por los coloides. Las consecuencias de la floculación es que las suspensiones presentan un tamaño demasiado grande, aumenta la viscosidad y por tanto disminuye la penetrabilidad. La arcilla que se inyecta debe presentar un límite líquido superior a 60. En caso contrario, se deben añadir coloides.
  • Suspensiones de arcilla-cemento-arena: La adición de arena a un mortero de cemento estable da un mortero inyectable. A más dosificación de arena, más fácil es que permanezcan en suspensión los granos más gruesos.

En la actualidad, las inyecciones de cemento con bentonita en cimiento de presas se está reemplazando por un sistema, ideado por Lombardi y Deere en 1993, denominado método GIN (Ground Intensity Number). Las características básicas de este sistema es que las lechadas de inyección no pueden llevar bentonita que evita la decantación, sino superfluidificantes que bajen la viscosidad, bajen la cohesión y asimilen la lecha a un fluido de Bingham. De esta forma se tiene una única mezcla de lechada para todo el proceso de inyección. Por otra parte, para reducir el riesgo de hidrofracturación, además de limitar la presión y el volumen inyectado, el intervalo de inyección se restringe por la hipérbola P·V=cte. La idea es que la finalización de la inyección basada en alcanzar una presión de cierre o un volumen de cierre estaba muy del lado de la seguridad. Este método se puede aplicar tanto a la inyección por tramos descendente, como ascendente, así como mediante el uso del tubo-manguito. El método GIN no solo es una forma de definir y seleccionar el valor de la intensidad de las inyecciones, sino que se considera como una práctica referida a la inyección de masas rocosas fisuradas para mejorar su resistencia y reducir su deformabilidad y permeabilidad.

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.
  • 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.
  • MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. 2004.844. Valencia.
  • 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.

Licencia de Creative Commons
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Contención de agua mediante pantallas plásticas de bentonita-cemento

Figura 1. Cuchara bivalva para ejecución de pantalla plástica. https://www.archiexpo.es/prod/franki-foundations-belgium/product-61404-1536843.html

Las pantallas impermeables de bentonita-cemento, también llamadas pantallas blandas, plásticas o de lodo autoendurecible, constituyen barreras al paso del agua subterránea de construcción construcción similar a la de los muros pantalla (Figura 1). Este tipo de muros de estanqueidad se empezaron a utilizar en los años 60, en la mayoría de las ocasiones con un hormigón de bentonita-cemento como relleno de la pantalla, mientras que en España la primera realización data de 1974 (Cañizo et al., 1976). Su función es impermeabilizante, sin responsabilidad estructural, pues no deben resistir esfuerzos de flexión apreciables; por tanto son útiles cuando se trata de impedir el paso del agua pero no se va a realizar una excavación o vaciado anexo.

Se trata de abrir una zanja profunda y estrecha utilizando los procedimientos habituales de los muros pantalla, pero utilizando como fluido de perforación para contener las paredes un lodo de bentonita-cemento, en lugar de simplemente la bentonita. Son pantallas de un espesor entre 0,50 y 1,20 m, con profundidades que pueden llegar a 50 m, pero que son rentables hasta unos 25-30 m. Este procedimiento es más habitual en Europa que en Estados Unidos, donde suele utilizarse las mezclas de suelo y bentonita.

Otra forma de ejecutar este tipo de pantallas es mediante retroexcavadoras con brazos largos, que son efectivas hasta 15-20 m, aunque con brazos especialmente largos puede llegarse a 25-30 m. En otros casos, también se podrían utilizar zanjadoras de brazo inclinable.

Figura 2. Excavación con retroexcavadora para pantalla de bentonita-cemento. https://www.keller.co.uk/expertise/techniques/slurry-cut-walls

La resistencia y la permeabilidad de una pantalla de bentonita-cemento dependen de la dosificación (relación agua/cemento) y del tipo de cemento utilizado. Se trata de mezclar bentonita en la cantidad suficiente para evitar que el cemento decante antes del fraguado. Por cada metro cúbico de mezcla, la dosificación habitual es de 100 a 950 litros de agua, 20 a 80 kg de bentonita, 100 a 400 kg de cemento y de 0 a 5 kg de aditivos. En general se obtienen mayores resistencias con cementos de alto-horno o puzolánico que con cemento portland. Se pueden alcanzar con las mezclas de bentonita-cemento resistencias de 0,10 a 0,30 MPa. Esta mezcla de bentonita y cemento fragua lentamente.

En obra se necesita una planta que mezcle y dosifique el agua, la bentonita y el cemento. Transcurrido el tiempo de mezclado en planta, se manda el material al tajo. Este sistema difiere del tradicional, que deja hidratar previamente la bentonita de 12 a 24 horas; de esta forma, aunque se necesario utilizar algo más de bentonita, nos evitamos montar una planta de gran volumen, con depósitos de almacenaje de bentonita en maduración.

Durante el proceso constructivo es importante garantizar que entre paneles no existen juntas. Si la perforación de dos paneles contiguos es inmediata, se puede ejecutar una pantalla continua, sin juntas; si se retrasa la perforación, se muerde el extremo, aún en estado pastoso para que se adhiera el nuevo lodo y no se forme junta. Se pueden obtener rendimientos típicos de 100 a 150 m2/día.

Figura 3. Ejecución pantalla plástica de bentonita-cemento. https://www.terratest.com/pdf/catalogos/brochure-diaphragm-walls-spain.pdf

La ventaja de estas pantallas, aparte de la impermeabilidad y ausencia de juntas, es su adaptación a grandes deformaciones que pueda provocar el cambio del nivel freático. Además, el coste es relativamente económico debido al consumo reducido de materiales, a la mecanización de las operaciones y a la simplificación de la construcción. Son competitivas frente a otros sistemas como las tablestacas o las pantallas perforadas con hormigón bituminoso. Frente a otros sistemas de coste similar como pantallas de hormigón de arcilla o de suelo mejorado, las pantallas de bentonita-cemento son de mayor calidad, puesto que las anteriores son difíciles de compactar y por la existencia de juntas. Sin embargo, no son viables si se debe excavar en roca o si se debe levantar la pantalla como núcleo de arcilla de forma simultánea a los espaldones de presas de materiales sueltos.

Os dejo un vídeo para que veáis el procedimiento constructivo análogo a la construcción de un muro pantalla.

 

A continuación os dejo un ejemplo de Geocisa de aplicación de pantallas continuas de cemento-bentonita que han servido para mejorar las condiciones de seguridad y la corrección de filtraciones de la presa Hornotejero, en Cordobilla de Lácara (Badajoz).

Descargar (PDF, 311KB)

REFERENCIAS:

  • CAÑIZO, L.; ERASO, A.; AGUADO, J. (1976). La bentonita-cemento y sus aplicaciones. Revista de Obras Públicas, 123(3130):67-76.
  • CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater Lowering in Construction: A Practical Guide to Dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • INSTITUTO GEOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1987). Manual de ingeniería de taludes. Serie: Guías y Manuales nº 3, Ministerio de Educación y Ciencia, Madrid, 456 pp.
  • POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and aplications. Third Edition, John Wiley & Sons.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • 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.

Cursos:

Curso de procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras de Ingeniería Civil y Edificación.

Licencia de Creative Commons
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Reciclado de firmes in situ con cemento

Tren de reciclado. http://pa-12.blogspot.com.es/2009/03/tren-de-reciclado.html

El reciclado de firmes in situ con cemento constituye una técnica de rehabilitación que consiste en transformar el firme deteriorado tomando como fuente de suministro de áridos la propia carretera. Es una técnica sostenible, puesto que podría evitar, según el IECA, la extracción de unas 800.000 t de áridos. El procedimiento constructivo consiste en disgregar el firme existente en la profundidad requerida, mezclar el material resultante con cemento y agua y compactar la mezcla a la densidad adecuada. Con ello se consigue un firme en conjunto mucho más duradero, con menor susceptibilidad al agua y mayor resistencia a la fatiga. Aquí os dejo un enlace para descargaros la Guía Técnica de IECA sobre reciclado de firmes in situ.

¿Cómo se hace?, pues aquí tienes un didáctico vídeo sobre estabilización de suelos con cemento, procedente de la sección de vídeos de IECA. Espero que os guste.

Licencia de Creative Commons
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.