Shotcrete: ¿método por vía seca o vía húmeda?

Shotcrete: ¿método por vía seca o vía húmeda?
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Shotcrete, de acuerdo al Instituto Americano del Concreto (ACI, por sus siglas en inglés), es definido como el mortero o concreto aplicado neumáticamente y proyectado a alta velocidad. Concreto lanzado, de acuerdo a la Federación Europea de Productores y Aplicadores de Productos Especiales para Estructuras (EFNARC, por sus siglas en inglés), es una mezcla de cemento agregado y agua proyectado neumáticamente desde una boquilla a un sitio determinado para producir una masa densa y homogénea.

El concreto lanzado normalmente incorpora aditivos y pueden incluir también adiciones de fibras (metálicas o sintéticas) o una combinación de estas. Ambos términos, concreto lanzado o shotcrete, se refieren básicamente al mismo material. La tendencia, especialmente en Europa, es referirse al producto como concreto lanzado. En nuestro medio usamos preferentemente la terminología americana de shotcrete. Los principios aplicados a la tecnología del concreto no son diferentes en el shotcrete. Esto significa que el shotcrete debería ser diseñado aplicando los desarrollos y recursos de la tecnología del concreto para lograr una mezcla con costos efectivos y optimizados.

Esto implica que los siguientes aspectos técnicos deberían ser considerados:

  • Los materiales componentes y su composición.
  • Las condiciones de aplicación (incluidos accesos y la viabilidad de los servicios, agua, aire, iluminación y ventilación).
  • El método de aplicación (vía seca o vía húmeda).
  • Los aspectos logísticos (principalmente su influencia en el manejo del material).
  • Requerimientos de seguridad y salud.

En las líneas siguientes vamos a abordar aspectos del método de aplicación. Actualmente se utilizan dos métodos: la proyección por vía seca y la proyección por vía húmeda. En el proceso de vía seca, el agua necesaria para la hidratación del cemento es agregada en la boquilla, mientras que en el método por vía húmeda el agua se agrega en la planta dosificadora de concreto. Ambos métodos tienen sus ventajas y desventajas, y la selección de uno u otro dependerá de los requisitos del proyecto y de la experiencia del personal encargado de ejecutarlo.

Hasta hace pocos años, el método más utilizado era el de proyección por vía seca, pero en estos momentos la tendencia ha cambiado, especialmente en shotcrete para soporte de rocas.
El método dominante del futuro será el de proyección por vía húmeda debido a que ofrece un mejor ambiente de trabajo, mayor calidad, uniformidad y producción.
Los desarrollos en la tecnología del shotcrete están relacionados con el proceso de vía húmeda.

Entre algunos ejemplos de adelantos recientes figuran las nuevas generaciones de adiciones y aditivos tales como el sistema de control de hidratación DELVO®CRETE, el sistema de acelerantes libres de álcalis inocuos para el medio ambiente, y los métodos de ultima generación MEYCO® ACC, el curador interno de concreto MEYCO® TCC, microsílice y nanosilicatos, y fibras plásticas.

Actualmente, un 70% del shotcrete se aplica mediante vía húmeda (más de 8 millones de metros cúbicos al año en todo el mundo), mientras que el 30% restante se aplica por vía seca. En algunas regiones del mundo predomina el método por vía húmeda (casi 100% en Escandinavia e Italia).

En el Perú, el método predominante es el de vía seca. Sin embargo, la brecha se va acortando estimándose –ya que no existen registros al respecto- que aún el 60 corresponde a la aplicación por vía seca, correspondiendo un importante 40% a la vía húmeda. Es importante resaltar que la primera mina en el país que apostó por el soporte de rocas por vía húmeda en sus operaciones cotidianas, fue la mina Cobriza de Doe Run en mayo del 2,000.

Método por vía seca
Todo proceso tiene sus desventajas; las del método por vía seca son:

  •  Altos costos operativos debido al desgaste y daños en las máquinas de rotor, especialmente en los empaques de caucho y los discos de fricción. Para mantener estos costos dentro de límites razonables, es necesario configurar bien las máquinas, hacer cambios oportunos de piezas y utilizar procedimientos adecuados de pulverización.
  •  Otra desventaja es la formación de polvo, pero el mismo puede reducirse procurando un contenido favorable de humedad natural (o prehumidificación adecuada) y utilizando aglomerantes de polvo.
  •  Además de la formación de polvo en la boquilla, es necesario también prestar atención al efecto que tiene el polvo del sistema de alimentación sobre la máquina. En este particular, las máquinas tradicionales de doble cámara o la versión moderna de la Schürenberg (SBS), son ventajosas. No obstante, las máquinas de rotor pueden ser condicionadas a prueba de polvo hasta cierto punto (o incluso totalmente).
  •  Otro problema importante del proceso de proyección en seco es el rebote relativamente alto. Según la superficie de aplicación en cuestión (hastíales o bóveda), se pierde entre el 15 y35% del concreto. La pérdida promedio normal es del 20 al 25%.
  •  Para reducir el rebote de una manera significativa, se pueden utilizar las nuevas clases de aditivos mencionados anteriormente.


El uso de microsílice o de sistemas de control de la hidratación tales como DELVO®CRETE puede ayudar, y la pérdida promedio puede reducirse hasta un 15%. Frecuentemente, se cita una desventaja más: el bajo rendimiento del equipo, aunque las máquinas modernas permiten aplicar más de 10 m3/h. Esto es algo que indudablemente no es posible lograr con aplicación manual, sino con el uso de un brazo robotizado. Por lo tanto, dado el aumento en los costos de desgaste, una producción superior a 8 m3/h resulta crítica desde el punto de vista económico.

Gracias a los muchos años de experiencia en el proceso de proyección en seco, existe actualmente un gran conocimiento sobre la técnica. Es sumamente importante asegurarse de seleccionar materiales, equipos y procedimientos de aplicación que puedan combinarse de la mejor manera posible para alcanzar resultados satisfactorios tanto en calidad como en economía.

Método de proyección por vía húmeda
Tal como se mencionó anteriormente, este método es el único utilizado en Escandinavia, Italia y en un gran número de importantes proyectos subterráneos en todo el mundo. El uso del shotcrete para aplicaciones de soporte de rocas ha aumentado en forma exponencial en los últimos 10 a 15 años, lo cual ha impulsado un intenso desarrollo del mismo. Entre 1971 y 1980 se produjo un desarrollo impresionante del método por vía húmeda en Escandinavia, con la consiguiente transformación total de su mercado de shotcrete. Se pasó de 100% de vía seca a 100% de vía húmeda, y la aplicación pasó de manual a robótica.

Este cambio radical ocurrió sólo en Noruega. Desde aproximadamente 1976 se ha venido agregando cada vez más la microsílice y la fibra metálica al shotcrete fabricado por vía húmeda. Sin duda alguna los noruegos llevan la delantera en la tecnología del shotcrete fabricado por vía húmeda, tanto en teoría como en la práctica. Noruega está organizando el 5° Simposium Internacional de Concreto Lanzado del 22 al 24 de Abril del próximo año. Valdría la pena tener a este evento como referente del uso moderno del concreto lanzado para soporte de rocas (una mayor información se puede obtener en la página web)

No se sabe por qué el cambio sucedido en Escandinavia no ha ocurrido en ningún otro país. Quizás la explicación se encuentre analizando las condiciones noruegas. La mala fama de la técnica de proyección por vía húmeda se debe a los deficientes equipos utilizados y al poco conocimiento del método. Estos factores han acarreado la producción de un concreto de muy baja calidad. Para que la mezcla circule por el equipo, se utilizaban contenidos muy altos de agua, con una relación de agua/cemento hasta de 1,0. Gracias a la tecnología actual de la industria del concreto, es totalmente factible producir shotcrete por vía húmeda que tenga una resistencia a la compresión a los 28 días superior a 60 MPa. Actualmente, la tecnología se utiliza también en la construcción de nuevas edificaciones (en vez del método de colocación original) y en la reparación de plataformas petroleras en el Mar del Norte. Esto es una prueba fehaciente de la alta calidad del método, dados los estrictos requisitos que debe cumplir y los materiales utilizados en la construcción submarina.

Economía
La capacidad de proyección ha aumentado considerablemente desde los tiempos de maquinarias/robots de mezclado en seco, hasta los robots de vía húmeda modernos. En un turno de 8 horas, la capacidad promedio de proyección del método por vía húmeda es usualmente de 4 a 5 veces mayor que la del método por vía seca.

Si bien los costos de inversión en los nuevos robots de vía húmeda aumentaron significativamente, hubo al mismo tiempo una caída igualmente significativa del costo de colocación del shotcrete. También disminuyó uno de los principales factores de costo: el tiempo de preparación por cada ciclo. Debido a los sistemas robóticos integrados, la aplicación del shotcrete puede comenzar a los pocos minutos de la llegada de los equipos al frente. La introducción de los perforadores hidráulicos aumentó la capacidad de perforación en un 100%. El aumento de la inversión se tradujo en menores tiempos por ciclo de perforación y voladura.

Por lo tanto, el costo del tiempo aumentó. El tiempo gastado en la operación de proyección tenía que disminuir lo máximo posible. Entonces, fue fundamental aumentar la capacidad de aplicación de shotcrete. Asimismo, la reducción del rebote en aproximadamente un 25% tuvo importantes repercusiones económicas.

Ambiente de trabajo
Los operarios del proceso por vía seca estaban acostumbrados a trabajar en medio de una gran cantidad de polvo. Se emitía polvo no sólo desde la boquilla, sino también desde la máquina de proyección. Como norma general, los resultados de las mediciones de polvo en el ambiente de trabajo eran más de tres veces la cantidad permisible. El método por vía húmeda mejoró sustancialmente las condiciones del ambiente de trabajo, trayendo consigo mayor seguridad para los trabajadores de túneles. Una de las situaciones que impulsó el desarrollo del método por vía húmeda fue el lanzamiento de concreto bajo condiciones peligrosas. Los riesgos a la seguridad eran frecuentemente inaceptables sin un robot y sin utilizar fibras metálicas para refuerzo. Con el control remoto de los equipos era posible que el operador estuviera bajo un área previamente protegida por lo cual los riesgos de caídas de rocas involucrarían solo equipos, más no vidas humanas.

Calidad
Todavía se piensa equivocadamente que el método por vía húmeda no ofrece resultados de alta calidad. Lo cierto es que si se utilizan adiciones y aditivos reductores de agua (baja relación agua/cemento) y microsílice, se pueden obtener resistencias a la compresión de hasta 100 MPa aplicando en el concreto fabricado por vía húmeda.
A diferencia del método por vía seca, el de vía húmeda ofrece una calidad constante.

Aplicación
Con el método húmedo se utiliza un concreto ya mezclado en planta de concreto o un mortero premezclado. El concreto se prepara de la misma forma que el concreto normal. En cualquier momento del proceso es posible inspeccionar y controlar la relación agua/cemento (y por tanto, la calidad). La consistencia puede ser ajustada por medio de aditivos. Con el método de vía húmeda es más fácil producir una calidad constante a lo largo del proceso de proyección. La mezcla ya lista se descarga en una bomba y se transporta a presión a través de la manguera. Al principio se utilizaban principalmente bombas helicoidales, ahora predominan las bombas de pistón. En la boquilla del extremo de la manguera, se agrega aire al concreto, a razón de 7-15 m3/min, y a una presión de 7 bars según el tipo de aplicación (manual o robot).

El aire tiene la función de aumentar la velocidad del concreto a fin de lograr una buena compactación y adherencia a la superficie.
Un error común que se comete con el método de vía húmeda es utilizar cantidades insuficientes de aire. Generalmente, se agregan entre 4 y 8 m3/min, lo cual lleva a menores resistencias a la compresión así como también a la adherencia deficiente y rebote. Para la proyección robotizada se requieren hasta de 15 m3/min de aire.
Además de aire, se añaden acelerantes de fraguado en la boquilla. Todavía hay quien cree que no es posible obtener concreto resistente a la congelación, y que los acelerantes de fraguado empeoran la adherencia del shotcrete.

Los resultados de varios estudios, aunados a la experiencia práctica, demuestran que los acelerantes logran una mejor resistencia a la congelación debido a que producen un concreto más compacto y duradero. Asimismo, mejoran la adherencia porque evitan el escurrimiento del concreto sobre el terreno, y este se adhiere inmediatamente a la superficie.

Ventajas
A continuación se expone un resumen de las ventajas del método de vía húmeda en comparación al de vía seca:

  • Rebote mucho menor. Con el uso de equipos apropiados y de personal capacitado, se obtienen pérdidas normales que oscilan entre 5 y 10 %, incluso para el caso de proyección de concreto reforzado con fibras.
  •  Mejor ambiente de trabajo debido a la reducción del polvo.
  •  Capas más gruesas gracias al uso eficiente de los materiales de mezcla.
  •  Dosificación controlada de agua (constante, relación agua/cemento definida).
  •  Mejor adherencia.
  •  Superior resistencia a la compresión, poca variación en los resultados.
  •  Producción muy superior, por lo tanto, más economía.
  •  Uso de fibras plásticas y nuevos aditivos.

Desventajas

  •  Distancia de transporte limitada (máximo 300 m).
  •  Mayores demandas en la calidad del agregado.
  •  Sólo se permiten interrupciones limitadas.


Resumen del método por vía húmeda
Con la proyección a robot de superficies suficientemente grandes por vía húmeda, es posible lograr (con un operario) una producción promedio de 60 a 100 m3 con rebote inferior al 10%, en un turno de trabajo de 8 horas. Al comparar los métodos seco y húmedo, puede concluirse que el primero debe ser utilizado para aplicaciones de volúmenes pequeños (por ejemplo, reparaciones) y en condiciones muy especiales (distancias largas, interrupciones repetidas, etc.), mientras que el método por vía húmeda debe utilizarse en todo trabajo de soporte de rocas.

Artículo publicado en Seguridad Minera Nº59 Luciano López Vinatea, División de Minería & Infraestructura, BASF Construction Chemicals Peru SA luciano.lopez@basf.com

Foto: qsindustrial