Existen una serie de normas técnicas que permiten alcanzar al shotcrete u hormigón proyectado alcanzar su máximo desarrollo en obras de sostenimiento, especialmente, en materia de túneles para obras mineras subterráneas. Este artículo, publicado originalmente en la revista Shotcrete Magazine de la American Shotcrete Association, da cuenta de estas normas, explicando las más aplicada a nivel mundial.
Autores: Rym Msatef, estudiante de Ingeniería Civil de la Université Laval, en Canadá, donde trabaja en el Laboratorio de Shotcrete de esa casa de estudios; Marc Jolin, Ph.D en Ingeniería Civil de The University of British Columbia, académico a tiempo completo en el Departamento de Ingeniería Civil de la Université Laval.
Fuente: Shotcrete Magazine
Desde los inicios de la minería industrial, uno de los mayores desafíos ha estado en el sostenimiento confiable de las excavaciones subterráneas para permitir el acceso seguro a los trabajadores y una producción eficiente. Los ingenieros diseñan sistemas de sostenimiento que se basan en las condiciones que rodean al terreno, su vida útil y las cargas más significativas. El shotcrete reforzado con fibras (FRS, en sus siglas en inglés) es una herramienta importante y necesaria para lograr el desempeño deseado. Sin embargo, los ingenieros de sostenimiento de terreno a menudo enfrentan desafíos con la integración apropiada del hormigón proyectado en el diseño o al navegar por los diferentes métodos de ensayo y sus especificaciones asociadas.
Este documento es un resumen del texto “Lineamientos sobre la aplicabilidad de shotcrete reforzado con fibras para sostenimiento de terreno en minas” (revisar citas al final de este artículo), el que intenta entregar guías para desbloquear el potencial completo de este material compuesto. La sección siguiente presenta algunos de los puntos clave que se abordan en los lineamientos.
El uso del shotcrete para el sostenimiento subterráneo se volvió común con la introducción del Nuevo Método Austriaco de Túneles (NATM, en sus siglas en inglés), en la década de 1960(1). Subsecuentemente, las fibras de acero se introdujeron en el shotcrete a comienzos de la década de 1970, logrando identificar rápidamente su potencial para el sostenimiento subterráneo (Parker, 1974 y Poad et al. 1975 -in ACI PRC-506.1-21)(2).
Shotcrete reforzado con fibras
Existen diversos tipos de fibras disponibles, cada una con distintas propiedades. La mayoría de las fibras pueden categorizarse ya sea como macrofibras o microfibras, dependiendo de su diámetro, y en fibras de acero o en fibras sintéticas/polímeros. Es importante elegir el tipo correcto basado en la necesidad del diseño para el sostenimiento del terreno: Por ejemplo, la resistencia a la tracción de una fibra de acero puede ir desde los 350 a los 2.500 MPa (51.000 a 360.000 psi) y la resistencia a la tracción de una fibra macrosintética puede ir desde los 350 a los 650 MPa (51.000 a 94.000 psi).
Su rol es mejorar las propiedades del hormigón después de que este se fisura [1] al controlar la apertura de las grietas [2] absorbiendo o disipando energía en la ubicación de la fisura o [3] una combinación de ambas. Para ponerlo en simple, cuando se forma una fisura, existe una transferencia de fuerzas de tracción desde la matriz del hormigón a las fibras. Para tener una transferencia de carga eficiente, se deben satisfacer tres condiciones:
- Debe haber suficientes superficies de transferencia (número, longitud y diámetro de las fibras).
- La naturaleza de la interfase entre la fibra y la matriz cementosa debe permitir una adecuada transferencia de carga.
- Las propiedades de la fibra (módulo de Young, coeficiente de Poisson, resistencia a la tracción y mecanismo de anclaje) deben permitir la transferencia de fuerza sin rotura o deformación excesiva.
La adhesión y fricción entre la matriz cementosa y las fibras son factores importantes para lograr una respuesta post-fisuración y un mecanismo de absorción de energía efectivos.
La forma y la textura de las fibras puede maximizar estos efectos, pero la resistencia de la matriz cementosa también posee un impacto: el comportamiento de sacado de una única fibra está íntimamente relacionado a las propiedades de la pasta cementosa alrededor de esta. Una matriz que sea demasiado débil puede que no permita a las fibras alcanzar su máximo potencia y capacidad. Sin embargo, si una matriz es (relativamente) demasiado fuerte y brinda demasiada adhesión y fricción, podría causar que las fibras se rompan, lo que es un comportamiento no deseado. De hecho, a menudo es mejor tener una fibra que se salga del shotcrete a una que se rompa. La Fig. 1 ilustra la curva de sacado ideal para una única fibra.
Minería y sostenimiento de terreno
El objetivo de las operaciones mineras es extraer y procesar mineral de una forma segura y rentable. Garantizar la seguridad de los trabajadores y equipos es esencial, ya que se encuentran constantemente en riesgo debido a la inestabilidad de las rocas que los rodean en las excavaciones subterráneas. El sostenimiento del terreno garantiza esta seguridad y el shotcrete reforzado con fibra a menudo juega un rol importante para ello.
Existen varios enfoques para la excavación subterránea y el sostenimiento del terreno. Thompson, Villaescusa y Windsor(4) definen al sostenimiento del terreno como una combinación de sistemas de refuerzo y sostenimiento. Un sistema de refuerzo se refiere a cualquier cosa integrada al material que rodea una excavación, por ejemplo, pernos de roca. Un sistema de sostenimiento, por otro lado, se refiere a cualquier elemento que esté en contacto con una cara de la excavación. El shotcrete reforzado con fibra se clasifica entre los sistemas de sostenimiento de área, ya que generalmente se utiliza para retener roca rota, similar a la malla de alambre, y también puede usarse para sujetar bloques fracturados.
Las resistencias y cargas exactas que se transfieren al shotcrete reforzado con fibra son, a menudo, difíciles de predecir con exactitud. Muchas veces, es una combinación compleja de resistencias, donde un área puede presentar resistencia a la flexión, la siguiente al corte, o compresión, o tensión, o una combinación.
Shotcrete reforzado con fibras para el sostenimiento del terreno
Existen varios métodos de ensayo utilizados en la industria para evaluar el comportamiento del shotcrete reforzado con fibra. Algunos de estos métodos son más adecuados para el diseño, mientras que otros son más apropiados para el control de calidad. Similar a la elección de fibras, la elección de un método de ensayo debe realizarse de forma cuidadosa -el ingeniero debe considerar los objetivos del ensayo (diseño, aseguramiento de calidad, control de calidad, desarrollo e investigación, etc.) e identificar un método de ensayo adecuado que brindará resultados significativos.
Debido a que la distancia promedio que existe entre las fibras es, generalmente, mucho más pequeña que la hay entre las barras de refuerzo, las fibras se movilizan antes en el proceso de fisuración e influirán en gran medida en el patrón de la fisura y su evolución bajo carga. En efecto, la fibra de refuerzo puede cambiar la respuesta post-fisuración del hormigón de frágil a dúctil. Las mayores mejoras se encuentran en la resistencia a la tracción del hormigón. Sin embargo, ensayar de comportamiento posterior a la fisuración en tensión es experimentalmente muy desafiante, motivo por el que la mayoría de los métodos de ensayo presentados a continuación se enfocan en la evaluación de mejoras en el desempeño a la flexión. El ancho de las curvas de esfuerzo vs. fisuras son las características más relevantes del shotcrete reforzado con fibras en el diseño a flexión. Estas curvas representan el verdadero comportamiento del material, sin importar el tamaño del miembro estructural o las condiciones de carga. Aún así, es crucial entender que el mecanismo de falla del shotcrete reforzado con fibra no siempre totalmente a flexión, ya que también están presentes las cargas a la compresión y al corte.
En los lineamientos originales se presentan múltiples ensayos y sus aspectos claves se explican brevemente en la Tabla 1. Para mayor información, la siguiente sección explica con mayor detalle dos de los métodos de ensayo más comúnmente utilizados.
ASTM C1550 – Método de ensayo estándar para la resistencia a la flexión del hormigón reforzado fibra (utilizando un panel redondo con cargas centrales) – También conocido como el “Ensayo RDP”
El método de ensayo ASTM C1550 es un estándar ASTM que se utiliza para evaluar la resistencia a la flexión (o la absorción de energía) del hormigón reforzado con fibra (FRC, en sus siglas en inglés) y particularmente, el shotcrete reforzado con fibra(6). Debido a que el patrón de la fisura está determinado (tres fisuras o se declara inválido el ensayo), es posible determinar la capacidad del momento posterior a la fisuración, la resistencia a la flexión y, por lo tanto, la relación esfuerzo-ancho de la fisura del shotcrete reforzado con fibra utilizando la teoría de la línea de fluencia(7)(8). El resultado puede usarse de varias formas: en el diseño, independiente de las condiciones específicas de carga, la absorción de energía en el método de diseño Sistema Q(8) y en el control de calidad del shotcrete reforzado con fibra.
Ejecución y resultados
En este ensayo, se carga el centro de una muestra de panel redondo de shotcrete reforzado fibra con una cabeza de acero redondeada y se apoya sobre tres puntos articulados, colocados a 120° de distancia del perímetro (Fig. 3). La deflexión central se mide para generar una curva de deflexión de carga (Fig. 4) que representa el comportamiento a la flexión post-fisura. Los valores de la absorción de energía son típicamente reportados como deflexiones centrales de 5, 10, 20 y 40 mm Dependiendo del tipo de aplicación (por ejemplo, una losa vs. la cara de un túnel minero profundo), el orden de magnitud para la absorción de energía a los 40 mm de deflexión se encuentra, generalmente, entre los rangos de 300-1.000 Joules.
Valor de ingeniería
Es posible calcular la relación esfuerzo-ancho de fisura en un análisis inverso a través de este método de ensayo. Estos parámetros pueden, eventualmente, utilizarse para determinar la capacidad de carga y la absorción de energía del revestimiento deformado. El ancho máximo de fisura en este ensayo es de alguna forma cercano a lo que se puede observar en minas comparado con otros ensayos. En efecto, en un tramo de 1,5 metros entre pernos de roca, el desplazamiento fuera de plano equivalente podría ser casi de 140 mm para la misma rotación aproximada de la fisura. Este ensayo tiene la ventaja de entregar una variabilidad menor en los resultados y el comportamiento del material puede analizarse fácilmente desde los resultados.
EN 14488-5 Ensayo de hormigón esparcido – Parte 5: Determinación de la capacidad de absorción de energía de muestras de losa reforzadas con fibra – También conocido como el “Ensayo Europeo de Plato”
El método de ensayo EN 14488-5 es un estándar europeo destinado para determinar la capacidad de absorción de energía del shotcrete reforzado con fibra(10). Este ensayo se utiliza para el método de diseño Sistema Q(11) para el sostenimiento del terreno y para el control de calidad del shotcrete reforzado con fibra.
Este ensayo permite la redistribución esfuerzo/carga en el panel. Por lo tanto, el número de fisuras y sus patrones pueden variar de un ensayo a otro. Si bien esto hace que la interpretación estricta de los resultados sea difícil, también permite al shotcrete reforzado con fibra expresar mejor su verdadero comportamiento. De hecho, se ha demostrado que una muestra evolucionará desde una falla por corte puro a una falla combinada corte/flexión a medida que aumenta el contenido de fibra(12).
Ejecución
En este procedimiento, una muestra cuadrada de losa de shotcrete reforzado con fibra se somete a una carga en su centro con una cabeza cuadrada de acero, mientras que su perímetro completo se apoya de forma continua en un marco de acero rígido (Fig. 5). La losa se carga y se mide la deflexión central para producir una curva carga-deflexión (Fig. 6a), la que se analiza y convierte a una curva de absorción de energía-deflexión (Fig. 6b).
Resultados
Este estándar da una curva de carga-deflexión y una de absorción de energía-deflexión que representan el comportamiento del shotcrete reforzado con fibra bajo una combinación de carga por flexión y carga de corte por punzamiento. Los valores más relevantes por recuperar son la carga máxima y la absorción de energía a unos 25 mm de deflexión. El orden de magnitud para la absorción de energía son cientos y miles de Joules y sus rangos típicos oscilan entre los 500-3.000 MPa (72.000 a 434.000 psi).
Valor de ingeniería
Este método de ensayo es, probablemente, el más cercano a las actuales condiciones de carga que se pueden encontrar en un esquema de sostenimiento de terreno con empernado de roca. Es una configuración estadísticamente indeterminada que permite la redistribución de la carga y crea tanto esfuerzos a la flexión como de corte por punzonamiento, llevando a módulos de fallas más realistas, aunque complejos. Los modos de falla complejos y el patrón variable de la fisura hacen más difícil entender la forma en que el material se desempeña cuando se analizan los resultados. Además, la deflexión máxima (25 mm) a la que el ensayo se lleva a cabo es relativamente pequeña en un contexto de sostenimiento minero. Sin embargo, ya que el espacio también es relativamente pequeño, la actual rotación de la fisura está cerca de lo que puede ocurrir en la obra subterránea. Por ejemplo, si consideramos un espacio de 1.5 m entre pernos de roca, el desplazamiento fuera del plano sería de 75 mm para la misma rotación de fisura aproximada.
| Método de ensayo | Información | Resultados Típicos | Principales Ventajas | Principales Desventajas | Comentarios |
| EN 14651 | Resistencia a la tracción por flexión en viga dentada | Curva carga-desplazamiento de apertura de la boca de fisura Límite de proporcionalidad Resistencias residuales | Resultados pueden utilizarse en el fib Model Code | Necesidad de cortar y entallar vigas Pequeñas aperturas de fisura | Ejecutado bajo un control de circuito cerrado |
| ASTM C1609 | Desempeño a la flexión sobre una viga | Curva carga-deflexión Resistencia peak Resistencias residuales Tenacidad (J) | Resultados pueden utilizarse en el código de diseño ACI 318 No hay necesidad de entallar la viga | Necesidad de cortar vigas Pequeñas aperturas de fisura | Ejecutado bajo un control de circuito cerrado |
| ASTM C1399 | Resistencia a la flexión residual promedio en una viga | Resistencias residuales Resistencia residual promedio | No hay necesidad de un control de circuito cerrado | Necesidad de cortar vigas Curva de carga incompleta Pequeñas aperturas de fisura | Casi desaparecida de la especificación |
| EN 14488-5 | Capacidad de absorción de energía en un panel cuadrado | Curva absorción de energía-deflexión Carga máxima Absorción de energía a 25 mm de deflexión (J) | Ensayo estructural Multi-fisuración No hay necesidad de aserrar la muestra Aperturas de fisura más grandes | Dificultad en utilizar los resultados para el diseño | Se inducen tanto la resistencia a la flexión como al corte por punzonamiento |
| Panel redondo noruego | Capacidad de absorción de energía en un panel redondo | Curva absorción de energía-deflexión Carga máxima Absorción de energía a 25 mm de deflexión (J) | Ensayo estructural Multi-fisuración No hay necesidad de aserrar la muestra Aperturas de fisura más grandes | Dificultad en utilizar los resultados para el diseño | Se inducen tanto la resistencia a la flexión como la resistencia al corte por punzonamiento |
| ASTM C1550 | Resistencia a la flexión en un panel redondo | Curva carga-deflexión Carga peak Absorciones de energía a los 5, 10, 20 y 40 mm de deflexión central (J) | Variabilidad más baja No hay necesidad de aserrar la muestra Aperturas de fisura más grandes | Dificultad en utilizar los resultados para el diseño | Ensayo bastante común en shotcrete reforzado con fibra |
| EN 14488-3 | Resistencia a la tensión por flexión en un panel cuadrado con muescas | Curva carga-desplazamiento de la boca de apertura de fisuras Límite de proporcionalidad Resistencia residuales | Un panel más grande con muescas permite un monitoreo de fisuras más extendido | Sólo una muesca con sierra en la parte inferior | Ensayo nuevo no incluido en la tabla original |
Conclusión
El documento original de los lineamientos explora al shotcrete reforzado con fibra y ofrece pautas sobre ensayos en el contexto de sostenimiento de terreno. Entrega información para ayudar a mandantes, ingenieros, proveedores de materiales y actores relevantes para aprovechar al máximo el shotcrete reforzado con fibra para sus programas de sostenimiento de terreno. Los desempeños del shotcrete reforzado con fibra varía con el tipo de fibra y su dosificación, y con las propiedades del hormigón al que están adheridas. Esta guía examina y entrega una descripción de los métodos de ensayo más comúnmente utilizados para el shotcrete reforzado con fibra y cómo interpretar la información generada. La elección de un método de ensayo es un paso crucial: Ingenieros deben reflexionar sobre los objetivos del ensayo e identificar un método de ensayo que les permitirá discriminar exitosamente entre resultados exitosos y significativos.
Referencias
1. Kovári, Kalman (2003) ‘History of the sprayed concrete lining method—part II: milestones up to the 1960s’. Tunnelling and Underground Space Technology, 18(1), pp. 71–83.
2. ACI PRC-506.1-21: Fiber-Reinforced Shotcrete – Guide, American Concrete Institute, Farmington Hills, USA, 19 pages.
3. Bentur, Arnon and Mindess, Sidney (2006) Fiber reinforced cementitious composites, CRC Press.
4. Thompson, A G, Villaescusa, Ernesto and Windsor, C R (2012) ‘Ground support terminology and classification: an update’. Geotechnical and Geological Engineering, 30(3), pp. 553–580.
5. Kaiser, Peter K (1996) Canadian Rockburst Support Handbook: 1996, Geomechanics Research Center.
6. ASTM C1550-20 (2020) ‘ASTM C1550-20 Standard Test Method for Flexural Toughness of Fiber Reinforced Concrete (Using Centrally Loaded Round Panel)’. ASTM International, pp. 1–14.
7. Bernard, Erik Stefan (2006) ‘Influence of toughness on the apparent cracking load of fiber-reinforced concrete slabs’. Journal of Structural Engineering, 132(12), pp. 1976–1983.
8. Bernard, Erik Stefan (2013) ‘Development of a 1200-mm-Diameter Round Panel Test for Post-Crack Assessment of Fiber-Reinforced Concrete’. Advances in Civil Engineering Materials, 2(1), pp. 457–471.
9. Papworth, F (2002) ‘Design Guidelines for the Use of Fiber-Reinforced Shotcrete in Ground Support’. Shotcrete Magazine, (Spring 2002), pp. 16–21.
10. EN 14488-5 (2006) ‘EN 14488-5 Testing sprayed concrete – Part 5: Determination of energy absorption capacity of fiber reinforced slab specimens’. European Committee For Standardization, pp. 1–8.
11. Grimstad, Eystein, Kankes, Kalpana, Bhasin, Rajinder, Magnussen, Anette Wold and Kaynia, Amir (2002) ‘Rock mass quality Q used in designing reinforced ribs of sprayed concrete and energy absorption’. Report, Norwegian Geotechnical Institute.
12. Ding, Yining and Kusterle, Wolfgang (1999) ‘Comparative study of steel fiber-reinforced concrete and steel mesh-reinforced concrete at early ages in panel tests’. Cement and Concrete Research, 29(11), pp. 1827–1834.
