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Tesis:

Diseño de hormigón proyectado por vía húmeda

  • Autor: CASTELLANOS CASTELLÓN, Ramiro

  • Título: Diseño de hormigón proyectado por vía húmeda

  • Fecha: 2022

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

  • Departamentos: INGENIERIA CIVIL: CONSTRUCCION

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72233/

  • Director/a 1º: GÁLVEZ RUIZ, Jaime C.
  • Director/a 2º: GARCIA ALBERTI, Marcos

  • Resumen: Actualmente el hormigón proyectado por vía húmeda (HPVH) e s el más utilizado comparado con la metodología de proyección por vía seca. Ventajas como un menor porcentaje de rebote, espesores de aplicación mayores por cada capa, así como un mejor control de la relación aguacemento y menor desgaste en los equipos de proyección, han convertido a esta metodología de proyección en la predominante para su aplicación en diversos procesos constructivos como la reparación y rehabilitación de estructuras, la estabilización de taludes, y, principalmente, en la construcción de túneles. Este tipo de hormigones requiere de una variedad importante de aditivos y adiciones para su elaboración y puesta en obra. Así, suelen requerir el uso de aditivos superplastificantes para optimizar la trabajabilidad y acelerantes para el proceso de proyección. En muchas ocasiones se utilizan también fibras para mejorar la resistencia residual a tracción por flexión, así como aditivos modificadores de viscosidad (AMV) para incrementar la viscosidad (cohesividad) del material a velocidades de flujo bajas y disminuyendo la misma a velocidades de flujo elevado. Todos estos aditivos y adiciones hacen necesario el estudio micro y macroestructural del hormigón proyectado a diseñar. Para ello, se comenzó por caracterizar el comportamiento de la microestructura, realizando ensayos en pastas y morteros. Analizando inicialmente los tiempos de fraguado en pastas, y la interacción cemento-AMV-acelerante en morteros mediante ensayos de análisis térmico diferencial y termogravimétrico (ATD-TG). Estos ensayos, permitieron interpretar el comportamiento del hormigón frente a rebote en obra, analizar los productos de hidratación y el comportamiento mecánico de estas combinaciones de aditivos. Para esta etapa s e realizaron ensayos en pastas con una relación agua-cemento de 0,28 incluyendo un contenido de superplastificante de 1,5% en peso de cemento. Por otra parte, los ensayos en morteros se ejecutaron para una relación agua-cemento de 0,45 y contenido de superplastificante de 1,55% en peso de cemento. Estos ensayos tuvieron en cuenta solo dos acelerantes (alcalino y libre de álcali), y tres AMV, considerados como los más representativos para el análisis, estos fueron el humo de sílice (HS), la bentonita activada (F2) y el etilvinilacetato (POL). Posteriormente, s e estudió con profundidad la reología de morteros y hormigones, con especial interés en la interacción cemento-AMV. Para ello, s e ejecutaron pruebas en el reómetro de laboratorio analizando el fluido bajo régimen dinámico y estático. Estos ensayos proporcionaron resultados como el límite elástico, la viscosidad plástica del material, así como la evaluación de la tixotropía del fluido. Estas pruebas se realizaron con seis AMV, para relaciones agua-cemento de 0,42 y 0,45, que s e utilizaron también en hormigones de laboratorio y obra. Adicionalmente se estudió la reología en hormigones con inclusión de fibras, para relaciones agua-cemento de 0,45 en laboratorio y 0,48 en obra. Todos estos ensayos en los reómetros de mortero y hormigón fueron complementados con medidas de consistencia como el ensayo de asiento, y la mesa de sacudidas en morteros y hormigones. El conjunto de resultados en esta parte de la campaña experimental fue permitió establecer unas cajas de trabajabilidad de reología (reogramas) en morteros y hormigones, así como interpretar el comportamiento en los procesos de bombeo, y rebote en obra. Además, el análisis de las propiedades de HPVH reforzado con fibras fue analizado, optimizándose también el comportamiento de mezclas híbridas, que estuvieron compuestas por la combinación de fibras de acero y poliolefina. Se pudo analizar la variabilidad en las propiedades mecánicas, producto de los diferentes metodologías y procesos de vertido en obra y laboratorio. Finalmente se realizó la correlación de ensayos viga-placa de acuerdo a los valores de resistencia residual fRj, energía de fractura GF, y valores de absorción de energía (E25). Esto permitió obtener ecuaciones empíricas, las cuales posibilitan estimar las propiedades mecánicas en placas de acuerdo con los resultados obtenidos en vigas o viceversa. Es importante destacar que en este trabajo s e muestran resultados de gran interés que permiten relacionar todos estos parámetros de diseño del hormigón proyectado, no solamente en campañas de laboratorio, sino también en campañas “in situ”, pudiendo evaluar las diferencias entre laboratorio y obra. Para ello, los resultados obtenidos en laboratorio s e compararon con los resultados obtenidos a escala real realizados en la Fundación Santa Bárbara (La Ribiera de Folgoso, León) mediante la proyección de hormigón en una sección de túnel. Se realizaron dos campañas experimentales en obra para la optimización de los AMV, y una para evaluar los hormigones proyectados reforzados con fibras. Las dos primeras permitieron el análisis de la reología y productos de hidratación y optimización del rebote, y la última contribuyó al análisis de las propiedades mecánicas y también al análisis de la reología. La metodología y análisis mencionados permitieron que esta tesis sea una guía práctica para el diseño de hormigones proyectados con inclusión de AMV y fibras, aportando información relevante y novedosa para la tecnología y diseño del HPVH. ABSTRACT Nowadays, wet mix shotcrete (WMS) is widely used compared with dry process. Advantages such as a lower percentage of rebound, higher thicknesses per layer, a s well a s better control of the water-to-cement ratio and less wear in the spraying equipment, have made this shotcrete methodology preferred for its application in various construction processes such a s repair and rehabilitation of structures, slope stabilization, and tunnel construction. This type of concrete requires a significant variety of admixtures and additives for its mixing and placement. Superplasticizers to optimize workability, as well a s accelerators for the spraying process, macro structural fibers that improve the flexural tensile strength, and viscosity modifying admixtures (VMA) to increase the viscosity (cohesiveness) of the material at low flow rates and decreasing it at high flow rates. All these additives and admixtures make it necessary to study the microstructural and macrostructural characteristics of the shotcrete to be designed. This thesis has characterized the behavior of the shotcrete microstructure, carrying out tests on pastes and mortars. Analyzing the setting times in pastes, and the cement-AMV-accelerator interaction in mortars by performing differential thermal and thermogravimetric analysis (ATD-TG) tests. These tests enabled to evaluate the behavior of the concrete against rebound in situ, to analyze the hydration products and the mechanical behavior of these admixture combinations. In this stage, tests were carried out on pastes with a water-to-cement ratio of 0.28 and a superplasticizer content of 1.5% by weight of cement; tests were also carried out on mortars with a water-to-cement ratio of 0.45 and superplasticizer content of 1.55% by weight of cement. These tests considered only two accelerators (alkaline and alkali-free), and three AMVs, considered as the most representative for the analysis, these were silica fume (HS), activated bentonite (F2) and ethylene vinyl acetate (POL). Afterwards, the rheology of mortars and concrete mixes was studied. In mortars, with special interest, the cement-AMV interaction was analyzed. For this purpose, tests were performed in the laboratory rheometer analyzing the fluid under dynamic and static regime. These tests provided results such a s the elastic limit, plastic viscosity of the material, a s well a s the evaluation of the thixotropy of the fluid. These tests were carried out with six AMV, for water-to-binder ratios of 0.42 and 0.45, which were also used in laboratory and job site shotcrete; additionally, rheology was studied in concretes with fiber inclusion, for water-to-binder ratios of 0.45 in the laboratory and 0.48 on site. All these tests on mortar and concrete rheometers were complemented with consistency measurements such a s the slump and the flow table test in mortars and concretes. The set of results in this part of the experimental campaign was useful to establish the rheology workability boxes (rheograms) in mortars and concretes, a s well a s interpreting the behavior in the pumping and rebound processes on site. Additionally, the analysis of the properties of fiber reinforced shotcrete (FRS) was analyzed, optimizing the behavior of hybrid mixtures, which were composed of a combination of steel and polyolefin fibers. It was possible to analyze the variability in the mechanical properties, due to the different methodologies and pouring processes in the laboratory and job site. Finally, the correlation of beam-plate tests was performed according to the values of residual strength fRj, fracture energy GF and energy absorption values (E25). This allowed to obtain empirical equations, which make it possible to estimate the mechanical properties in plates according to results in beams or vice versa. It is important to highlight that in this work shows results of great interest that allow to relate all these concrete design parameters, not only in laboratory campaigns, but also in "in situ" campaigns, being able to evaluate the differences between laboratory and jobsite. To do this, the results obtained in the laboratory were compared with the results obtained on a real scale carried out at the Fundación Santa Bárbara (La Ribiera de Folgoso, León) by spraying concrete in a tunnel section. Two experimental campaigns were carried out on site for the optimization of AMVs, and one to evaluate fibre-reinforced shotcrete. The first two allowed the analysis of the rheology and hydration products and optimization of the rebound, and the last one contributed to the analysis of the mechanical properties and also to the analysis of the rheology. The aforementioned methodology and analysis allowed this thesis to be a practical guide for wet mix shotcrete with the addition of AMV and fibers, providing important information for WMS technology and design.