INYECCION DE MORTEROS

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INYECCION DE MORTEROSEn principio los morteros en estado lquido coloidal pueden penetrar en todos los huecos por donde circule agua, pero para que esto pueda ocurrir en la prctica, la permeabilidad del medio inyectado no puede ser demasiado pequea. Dicho de otro modo, si el mortero de inyeccin es tan fluido como el agua, es necesario que el terreno no tenga poros demasiados pequeos. Este es el caso de arcillas y limos que prcticamente no son inyectables. Inversamente, si el medio a inyectar tiene poros apreciables, es decir, una permeabilidad no despreciable, pero el mortero tiene demasiada viscosidad, la inyeccin es igualmente imposible. Morteros de inyeccin inestables: para poder apreciar las cualidades de los morteros instables (es el caso de morteros cementicios) supongamos que se quiere inyectar en aluviones con un mortero de cemento ordinario. Las arenas y las gravas estn constituidas por un conjunto de granos de todas las dimensiones y el cemento por otro conjunto cuyos granos ms gruesos tienen alrededor de unas dcimas de milmetro de dimetro. Suponiendo adems que los granos del cemento sean independientes, cosa que est lejos de suceder, es necesaria para que la inyeccin sea posible, que los granos del cemento puedan introducirse en los poros existentes entre los granos de arena. Esta aseveracin es necesaria, pero veremos que no es suficiente. La dimensin de los huecos de un esqueleto aluvionar (recordemos que es un agregado de partculas de grava, arena y material fino puede ser limos y/o arcillas) es desconocida; adems esta dimensin no es constante: existen huecos grandes y pequeos. En laboratorio es preciso tomar una arena de 2 a 3mm para que pueda penetrar el cemento en los huecos. La suspensin de cemento est entonces constituida por un conjunto de flculos, mas o menos grandes y ms o menos deformables y no por granos aislados. Adems la experiencia demuestra que si la arena permite el paso de la pasta cementicia, sta no penetra mucho; lo ms algunos centmetros. Se mejora un poco la penetracin con morteros de inyeccin muy diluidos: por ejemplo una relacin de 1:10 y con una buena presin de inyeccin. A medida que aumenta la disolucin en morteros cementicios se reduce la formacin de flculos que cierran los poros del material inyectado. Los morteros cementicios con aire incorporado son mucho ms fluidos, la formacin de micro burbujas mejora sustancialmente su inyectabilidad pudiendo penetrar aun en arenas mucho ms finas que el caso de morteros cementicios ordinarios. Por los tanto queda demostrado que nos solo es condicin suficiente que los granos de cemento sean ms pequeos que los huecos dejados por la arena para que la inyeccin sea posible. Pero esto no es todo. Existe otra condicin a satisfacer que es la presin de infiltracin y la velocidad de inyeccin. Dada la naturaleza las partculas cementicias si no existe una cierta velocidad de escurrimiento del mortero, sus partculas sedimentan rpidamente. Ensayos han demostrado que por debajo de cierta velocidad los granos se depositan y obstruyen rpidamente todo el conducto.

LIMITE DE INYECTABILIDADAcabamos de ver que tiene que existir cierta relacin entre las dimensiones del grano del mortero y el medio a inyectar para que sea posible la inyeccin. Esta relacin corresponde a una impregnacin perfecta del medio poroso, se trata de un caso ideal que se realiza alguna vez.

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El criterio de la curva granulomtrica, se basa en confeccionar en laboratorio muestra de aluviones con distintas granulometras, colocadas en tubos rgidos (exactamente como un ensayo de permeabilidad) , haciendo circular a travs de este morteros con distintas viscosidades, este criterio da una idea aproximada del mortero a seleccionar segn la granulometra del aluvin. Este criterio se considera errneo por algunos autores, dado que el ndice de huecos depende no solamente de la granulometra del agregado, sino tambin del grado de compacidad y de la elasticidad natural del macizo inyectado.

CURVAS GRANULOMETRICAS LIMITES100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

PASANTE (%)

10

1 DIAMETROS (mm)

0.1

0.01

curva lmite inferior segn Neumann para morteros de cementos curva lmite inferior segn Golder para morteros de cementos curva lmite inferior segn Caron para morteros arcillas - cementos curva lmite inferior segn Caron para lechadas de arcillas curva granulomtrica estadstica para arenas SP, del ro Paran curva granulomtrica estadstica para arenas SM-SP, del ro Paran curva granulomtrica estadstica para arenas SM, del ro Paran

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Si se quiere encontrar un criterio ms lgico que el de la curva granulomtrica, es preciso determinar la dimensin de huecos del esqueleto y compararlas con la dimensin de granos del mortero y considerando adems la permeabilidad del medio. Si tenemos un conjunto de granos de superficie especfica S, con un ndice de huecos , este porcentaje es igual al que se encuentra en un plano cualquiera dando un corte en el macizo.

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Por otra parte, si llevamos d en funcin de k sobre un diagrama doblemente logartmico, el lmite de permeabilidad vendr dado por una recta de pendiente . La experiencia confirma perfectamente este ltimo punto de vista, en tanto que el dimetro de los granos o flculos sea igual a d (fig.2). La ventaja que presenta la eleccin del coeficiente de permeabilidad para fija el limite de penetrabilidad es evidente, En efecto es prcticamente imposible compara curvas granulomtricas incluso prximas, mientras que es muy fcil comparar coeficientes de permeabilidad. Adems esta puede ser calculada in situ, mientras que la granulometra hace absoluta abstraccin del grado de compacidad del medio. Este lmite de penetrabilidad debe ser, sin embargo, considerado como una curiosidad de laboratorio. La experiencia demuestra que la penetrabilidad en un suelo real es superior a la definida en laboratorio, probablemente a consecuencia de las deformaciones del suelo. Estas divergencias con la teora son las que han permitido a la inyeccin de aluviones desarrollarse ampliamente en estos ltimos aos. Los ensayos en laboratorio han tratado de explicar, simplemente, el xito de los trabajos, pero hemos de lamentar sus deficiencias, Estos ensayos definen un lmite que solo la experiencia permite interpretar correctamente.

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l

1000.0

LIMITE DE PENETRABILIDAD DE LOS MORTEROS BASADOS EN LA PERMEABILIDAD DE LOS TERRENOS

DIAM MEDIO DE LOS GRANOS DE LA LECHADA (micras)

100.0

10.0

1.0

0.1 1.00E-05

1.00E-04

1.00E-03 K (m/seg)

1.00E-02

1.00E-01

1.00E+00

Los suelos de nuestra zona la permeabilidad est comprendida entre 1,00E-04 y 1,00E-03 m/seg, (equivalente a 1,00E-2 y 1,00E-1 cm/seg) la partculas de cemento comprenden un tamao entre 10 y 100 micras, con lo cual se margina su penetrabilidad en estos tipos de aluviones. Recientemente se utilizan superfluidificantes y aire incorporado, comenzando con inyecciones diluidas en una proporcin de 1:10 aumentndose gradualmente y a una presin de inyeccin promedio de 20 atmsferas, mejorando su penetrabilidad aun en arenas muy densas.

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CELDA DE PRE CARGAPor el Ing. Hctor Mateu, departamento de puentes DNV

PILOTES DE GRAN DIAMETRO PRECARGADO POR INYECCION: Resumen: La tendencia actual de concentrar grandes cargas sobre un nmero reducido de elementos de fundacin, ha orientado el proyecto de infraestucturas de puentes hacia pilotes de gran dimetro, con cargas de trabajo que suelen alcanzar valores del orden de 1000 tn. En razn de las dimensiones de estos pilotes y de sus procesos constructivos, son de prever alteraciones de las condiciones geotcnicas del subsuelo, tanto para el trabajo de punta como de friccin lateral. Los grandes puentes sobre el ro Paran han dado la ocasin de poner en prctica la tcnica de la precarga por inyeccin de lo cual se logra reducir sustancialmente los asentamientos y mejorar la capacidad de carga. La modalidad de esta ejecucin, como as tambin los resultados obtenidos, comprobados mediante ensayos, son expuestos brevemente en estos apuntes. INTRODUCCION: Bajo la denominacin de pilotes de gran dimetro designaremos los elementos de las cimentaciones profundas aptos para soportar cargas por la friccin lateral desarrollada a lo largo del fuste y/o la resistencia de punta, cuyo proceso constructivo se realiza por la excavacin de un pozo posteriormanete provisto de armadura de refuerzo y llenado de hormign, y cuyo dimetro en genial son igual o mayor de 60 cm. Podrn ser ejecutados mediante la hinca prevista de una camisa (metlica o de hormign) o directamente excavados a pared desnuda con el auxilio de lodos bentonticos o agua. La friccin lateral y la resistencia de punta, que son funcin de la interaccin de suelo-pilote, dependen de las caractersticas de los estratos que se interesan, del procedimiento constructivo y del tratamiento lateral y de punta que se apliquen al piloten terminado. Los pilotes son diseados y calculados de tal manera que se obtenga un adecuado coeficiente de seguridad frente a la rotura del suelo y que asentamientos del mismo bajo carga sean compatibles don las tolerancias de la superestructura. Es usual, alcanzar con la puta del pilote de gran dimetro estratos de suelos densos, donde la capacidad de carga a rotura suele obtenerse con adecuada seguridad. Por el contrario, resulta casi siempre imposible predecir con exactitud la magnitud de los asentamientos., ya que estos no slo dependen de las caractersticas geotcnicas originales del estrato de fundacin, sino tambin de los que habrn de resultar como consecuencia de las alteraciones que se produzcan por efectos del proceso constructivos. Una manera prctica de corregir estas alteraciones y aun mejorar las condiciones naturales del suelo es efectuar precargas del pilote, provocando una predeformacin del suelo, con lo que se logra reducir las futuras deformaciones bajo las cargas de servicio. El pilote de gran dimetro deja entonces de ser un moderno pozo romano, adquiriendo en cierto grado las caractersticas del pilote hincado.

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METODOS Y DISPOSITIVOS PARA PRECARGA: La precarga puede introducirse por el medio que resulte tcnica y econmicamente ms econmicamente mas conveniente, ya sea accionando desde el extremo superior o inferior del pilote. En cause de ros con cierto tirante de agua, puede resultar ventajoso operar medianate el uso de embarcaciones cargadas con agua, adoptando un dispositivo adecuado en la cabeza de los pilotes, y toda vez que la cantidad y distribucin de estos lo permita (cierre del Haringvliet Plan Delta Holanda). En tierra, existe la posibilidad de operar mediante gatos hidrulicos reaccionando sobre anclajes especiales. El mtodo utilizado en las obras de DNV sobre el ro Paran, puente CHACO CORRIENTES y ZARATE BRAZO LARGO, ha sido el de inyeccin a travs de celulas de precarga, (antecedentes existentes en las obras del Puente sobre el Lago MARACAIBO- VENEZUELA). Consiste en un recinto formado por dos placas metlicas (clula) y una cmara de distribucin, dentro de la cual se dispone un relleno de grava. La clula se comunica con la cabeza del pilote por medio de las caeras de inyeccin, que puede estar compuesta por 2 o ms tubos, (ver fig. 1). El conjunto es ubicado en la base de la excavacin inmediatamente terminada esta, en forma simultnea con la colocacin de la armadura. Inmediatamente se procede al colado del hormign, del pilote en toda su altura. Es aconsejable iniciar las tareas de precarga por inyeccin 20 das despus de ejecutado el pilote, con el fin de permitir la restitucin de los estados tensionales del suelo, tanto para la friccin lateral como para la resistencia de punta y as mismo permitir al hormign alcanzar un adecuado valor ce resistencia. Resulta adecuado tratar de manera continua todos los pilotes de un mismo cabezal. La presin a ejercer sobre el rea de la base del pilote, ser por lo menos igual a la que habr de provocar la carga de trabajo, movilizando en forma total o parcial la fuerza de friccin. Cuando las fuerzas a aplicar pudieran movilizar totalmente la friccin lateral disponible, provocando un ascenso del pilote, puede recurrirse a la reaccin sobre elementos estructurales del macizo de fundacin, tales como los cabezales al conjunto de pilotes adecuadamente armados, todo previo al apoyo de la superestructura. EQUIPOS, MATERIALES Y TECNICA DE PRECARGA POR INYECCION: Los equipos y materiales que se requieran para ejecutar la precarga, son similares a los utilizados en inyeccin de vainas de hormign pretensado, tales como mezcladoras de lechadas de cemento y bombas a pistn, aptas para alcanzar presiones de hasta 100 atmsferas. La vinculacin de la bomba o inyector con la tubera de entrada a la clula de precarga se establece con caeras de goma armada para altas presiones. En el sistema deben instalarse vlvulas que permitan el control y acceso a la instalacin del circuito en cualquiera de sus partes en forma independiente. El registro de las presiones de inyeccin se establece a travs de manmetros instalados uno a la entrada del circuito y el otro en una de las tuberas de retorno. La mezcla habitualmente utilizada es lechada de cemento con el uso eventual de aditivos (fluidificantes y/o aire incorporado), debiendo establecer la dosificacin en forma experimental en el primer grupo de pilotes construidos. El criterio es que en una primera etapa se logre un ingreso fcil del mortero en el rea de la punta y secciones del fuste, alteradas por el proceso constructivo. Posteriormente se va dosificando gradualmente la mezcla en la medida que se advierta una eficaz

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recepcin en el medio y por ltimo se aplica durante un tiempo mnimo la presin de servicio especificada, cuidando que al finalizar la inyeccin se disipen las presiones inducidas el suelo de punta. En general cuando el medio es poco receptivo o sospechoso se inyecta primeramente agua a media presin y seguidamente se va agregando cemento y sus aditivos en proporciones in creciendo comenzando tentativamente con 1:5, luego 1:2 hasta llegar al la proporcin mxima de 1:1. El desplazamiento del pilote debe ser registrado simultneamente durante el proceso de inyeccin, a intervalos fijados, mediante el auxilio de niveles, puntos fijos y escalas graduadas al milmetro ubicadas en el cuerpo del pilote. Acotada la posicin inicial del pilote, se inicia el lavado y prueba del circuito con agua limpia a presin. Luego comienza progresivamente la fase de inyeccin de la lechada, en cantidades suficientes hasta alcanzar presiones del orden de 20 kg/cm2 . Si se logra mantener este presin durante algunos minutos, se puede continuar la inyeccin densificando gradualmente el mortero hasta alcanzar la presin especificada., manteniendo la misma presin durante aproximadamente 10 minutos o hasta observar un levantamiento del pilote del orden de 1 cm. En el caso que no se logre mantener la presin alrededor de 20 kg/cm2 . despus de haber inyectado entre 300 kg (6 bolsas) 1500 kg (30 bolsas) de cemento (esto claro dependiendo del dimetro del pilote) deber interrumpirse la inyeccin, procediendo inmediatamente al lavado del circuito. Unas 12 horas despus del lavado se reinicia la inyeccin con la misma dosificacin inicial. Los consumos definitivos de cemento, dependen de la longitud y seccin del pilote, del tipo de suelo, y del procedimiento constructivo (especficamente del sistema de inyeccin utilizado). A continuacin se resumen algunos datos obtenidos en inyecciones de morteros cementicios:

DIAMETRO DEL PILOTE (m) 1,00 1,00 1,80

LONGITUD EMBEBIDA (m) 27,00 25,00 20,00

SUELO EN LA PUNTA

CANTIDAD TOTAL INYECTADA KG

BOLSAS DE CEMENTO

Arena densa Grava arenosa Arena muy densa

665 745 3600

14 15 72

Las condiciones particulares de cada trabajo indicarn la necesidad de practicar la inyeccin en una o varias etapas. Debe destacarse, que en ciertas ocasiones, sin que se encuentre justificacin tcnica alguna, los consumos de cemento resultaron apreciablemente mayores que los previstos. En estos momentos (dcada del 80), se estn levando a cabo investigaciones para establecer la distribucin de los materiales en exceso dentro de los estratos y correlacionar el fenmeno con las caractersticas de los suelos.

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CONCLUSIONES: Si bien las experiencias realizadas no autorizan a inferir criterios de carcter general, permiten establecer las siguientes conclusiones para el caso de pilotes de gran dimetro con la punta ubicadas en arenas. 1) El proceso constructivo influye en forma apreciable en el comportamiento futuro del pilote. 2) Los asentamientos de los pilotes de gran dimetro no tratados pueden alcanzar valores no compatibles con las exigencias estructurales. 3) Es posible reducir a valores aceptables las deformaciones bajo cargas de servicio y mejorar substancialmente la capacidad de carga mediante la aplicacin de precargas, y en particular mediante inyecciones de lechadas de cemento a presin. 4) La precarga mediante inyeccin de punta permite apreciar al valor de la friccin lateral que habr de desarrollar el conjunto pilote suelo, reuntando en la prctica una verificacin del comportamiento de cada pilote, permitiendo reducir al mnimo los ensayos de carga. 5) La incidencia econmica de la precarga en el costo del pilote es del orden del 1% al 5% del presion total del mismo, dependiendo del dimetro longitud y cantidad.

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DISPOSITIVO DE PRECARGASECCIONCAERIAS DE INYECCION 38 mm ELEMENTO DE SUSPENCION CAMARA DE DISTRIBUCION

PLACA INFERIOR AGUJEREADA ARMADURA DEL PILOTE

RELLENO DE GRAVA MALLA METALICA

PLANTA PLACA SUPERIOR

TUBO DIAM 38 mm

(Fig. 1)

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