*Por el Ing. Gabriel Pablo Mansilla, Líder Control de Calidad de Loma Negra.
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Es ampliamente conocido el desarrollo y las ventajas de la tecnología TBM (Tunnel Boring Machine) en la construcción de túneles destinados a obras de infraestructura, tales como transporte público y conducción de agua potable y líquidos efluentes.
Más allá de disponer de esta tecnología para poder ejecutar este tipo de obras a mayor profundidad para salvar interferencias, y atravesar suelos de condiciones geológicas más adversas, la posibilidad de materializar estos proyectos se apoya fuertemente en el avance del conocimiento y desarrollo del material de construcción más utilizado en el mundo, el hormigón.
La conjunción que surge de aplicar esta técnica constructiva a importantes obras de infraestructura, y la necesidad de mayores costos de inversión por sobre las alternativas convencionales, obligan a asumir una vida útil mayor a la adoptada para estructuras convencionales (50 años según CIRSOC 201/05). Aceptar y garantizar este compromiso, sólo es posible prestando particular atención en las herramientas disponibles en tecnología del hormigón. Sin embargo, debemos ser concientes de que el avance en el conocimiento del hormigón, es sólo una condición necesaria, pero no suficiente, ya que la calidad final estará fuertemente influenciada por las operaciones relacionadas con la ejecución de los segmentos premoldeados (dovelas) y su colocación en el túnel.
Bajo esta mirada, resulta interesante compartir algunos aspectos sobre el diseño y producción de los hormigones utilizados para la elaboración de dovelas que serán colocadas como revestimiento estructural definitivo en estos túneles.
La Tabla 1 resume algunas características de los hormigones empleados en los proyectos en los que hemos participado como productores de hormigón en los últimos 11 años, totalizando algo más de 300.000 m³.
De la experiencia recogida en la participación de estos proyectos, aplicando una mirada crítica como productores y tecnólogos de hormigón, y siempre con el espíritu de sumar en un proceso de mejora continua, se presentan a continuación algunos aspectos a ser tenidos en cuenta en futuros emprendimientos similares.
Especificación de hormigones y diseño de la mezcla
Como se mencionó anteriormente, la mayor vida útil adoptada para estos casos requiere de especificaciones más rigurosas que aquellas indicadas en los Reglamentos, obligando en algunos casos a aplicar modelos de predicción de durabilidad (carbonatación, corrosión, etc).
Actualmente los reglamentos, ya sean prescriptivos o prestacionales, tienen en cuenta requisitos y/o ensayos especiales que consideran la exposición de los hormigones a diferentes condiciones de exposición en ambientes agresivos, tales como los de Penetración de Agua (IRAM 1554) y Succión Capilar (IRAM 1871).
Las especificaciones de los proyectos incluidos en la Tabla 1, exigían un contenido mínimo de cemento (380 kg/m³ por razones de durabilidad), una consistencia del hormigón próxima a 2 cm +/- 1 cm (medida con el cono de Abrams), una resistencia mínima de 15 MPa a la salida del ciclo de curado (necesaria para el desmolde y manipuleo de la pieza) y finalmente una resistencia especificada (f´e) a 28 días de edad que variaba de acuerdo al proyecto.
Los ciclos de curado de las piezas variaron de acuerdo a la obra, con temperaturas comprendidas entre 40 a 55 °C y permanencias de las piezas entre 6 a 8 hs.
Durante las etapas de estudio de las mezclas en laboratorio, y a partir de la primera experiencia en la producción de este tipo de hormigón con factores relacionados con su trabajabilidad en producción, para las últimas tres obras se optó por caracterizar más de una alternativa contemplando la utilización de distintas marcas de aditivos de primera línea. Esta caracterización incluyó las propiedades de las mezclas en estado fresco y endurecido, realizándose adicionalmente las verificaciones de resistencia a compresión mínima establecida para la salida del ciclo de curado, determinación de la penetración de agua (IRAM 1554) y succión capilar (IRAM 1871) bajo condiciones potenciales de curado y con curado al aire. De esta manera, y con la aprobación de las respectivas inspecciones de obra, cada proyecto dispuso de dos o tres mezclas alternativas lo cual le permitiría adaptarse a las características particulares de elaboración de las piezas.
Especificación sobre la mezcla fresca versus condiciones reales de producción
Los pliegos de especificaciones no suelen abordar detalles particulares del llenado de los moldes; en el mejor de los casos solamente estipulan un asentamiento, ignorando tiempos mínimos/máximos de vibrado por tipología de dovela (diferentes volúmenes y formas de las piezas), potencia de vibración, etc.
El lay-out de planta, tipos de moldes, definición de las etapas del proceso y los equipos de trabajo involucrados en la prefabricación de los segmentos son propuestos por las empresas que toman la obra. Éstas variables juegan un rol importante en la definición de los parámetros en estado fresco del hormigón, variando de un proyecto a otro, y comienzan a definirse en coincidencia con el inicio de la etapa de producción. Queda claro entonces que esta definición algo tardía, genera pérdidas para las partes involucradas, resultando en inicios de producción con escasa eficiencia y generando conflictos en la relación “productor de hormigón – premoldeador – cliente”.
Producción de dovelas
Considerando que, llegada la instancia del comienzo de la producción, se desconoce cuál es la aptitud de colocación de cada mezcla en los moldes con los equipos a utilizar, se propuso a cada cliente iniciar una etapa de pruebas piloto con cada uno de los aditivos utilizados y aprobados oportunamente.
De la evaluación de los resultados obtenidos (tiempos de colocación y vibrado, calidad de terminación, resistencia a la salida del ciclo de curado, entre otros), la decisión final sobre el aditivo a emplear fue tomada en cada caso por el cliente.
Adicionalmente, y teniendo en cuenta que los proyectos tenían plazos de ejecución de dovelas superior a 1 año, alternando períodos de altas y bajas temperaturas ambiente, fueron analizados los comportamientos en estado fresco de los hormigones bajo distintas temperaturas variando las dosis de los aditivos hiperfluidificantes empleados.
La Fotografía 1 muestra el aspecto de un segmento hormigonado con una mezcla “ÓPTIMA”, que posee la capacidad de moverse desde el punto central de descarga hasta las esquinas del molde, en el tiempo estipulado por el premoldeador para lograr la productividad deseada y con la energía de vibración entregada, lográndose con mínimas deformaciones en la cara superior (extradós). Este último punto es fundamental para la operación de desmolde e izaje del elemento para su transporte a la playa de acopio (Fotografía 2).
Participación del premoldeador
Se enumeran a continuación algunas características de la operación que, en menor o mayor grado, provocaron reiteradamente problemas de terminación en las piezas premoldeadas planteando inmediatamente dudas e interrogantes sobre la uniformidad en el hormigón entregado. Sin desconocer que el hormigón es un material que se caracteriza por ser considerado como “heterogéneo”, los programas de inspección y ensayos sobre las materias primas y el producto elaborado minimizan estos problemas, entendiendo entonces que deberían incrementarse los controles del contratista principal hacia las operaciones del premoldeador y algunas modalidades contractuales.
Premios o jornadas variables por productividad: Bajo esta modalidad, los operarios a cargo de la colocación del hormigón suele pedir mayores asentamientos para disminuir tiempos de llenado, lo que genera ondulación en la superficie extradós de la pieza (Fotografía 3).
Interrupciones imprevistas en la línea de producción: no suelen ser comunes y se relacionan en su mayoría al detectarse defectos en la colocación de las armaduras. Si ocurren con el pastón confirmado y en elaboración, el hormigón será descargado fuera de los tiempos previstos al reanudarse la línea de producción, generando tiempos de colocación del hormigón en los moldes superiores a los estipulados y heterogeneidades inaceptables en la terminación (Fotografía 4).
Mantenimiento de los equipos: los tiempos de colocación del hormigón en los moldes, calidad de terminación del extradós y otras heterogeneidades se relacionan con las causas que se mencionan.
Suciedad en pistas de rodaje o rodamientos en mal estado: cabeceo de las dovelas durante el avance generando ondulaciones en la superficie extradós.
Vibradores: se detectaron casos de tiempos excesivos para el llenado en los mismos números de moldes, dando cuenta de alguna deficiencia en la energía prevista para una correcta colocación.
Acoples deficientes de las mangueras de aire comprimido para vibradores: en este caso la demora para el llenado de las piezas se extiende a todos los moldes (Fotografía 5).
Etapa de terminación superficial: Elevada permanencia de las piezas recién hormigonadas antes de entrar a túnel de curado en los horarios de almuerzo/cena obligó a utilizar membranas de curado de base solvente para evitar la fisuración plástica que se producía durante los días de elevada temperatura ambiente, producto de los ventiladores instalados para mejorar las condiciones de trabajo de los operarios en esta zona.
Métodos para evaluar la trabajabilidad de las mezclas
Queda claro finalmente que la consistencia de la mezcla debía ser ajustada a requerimiento de las necesidades de los operarios y el estado de los equipos, generando estos cambios permanentes una dificultad no prevista originalmente en la operación de la elaboración de hormigón. Frente a esta realidad, imposible de revertir durante la ejecución, fue necesario garantizar como productores la entrega de un hormigón uniforme, en cumplimiento con los requisitos.
El primer obstáculo a salvar es la escasa sensibilidad que tiene el ensayo de asentamiento mediante el cono de Abrams (IRAM 1536) especificado en los pliegos, para el entorno de consistencia que se requiere para la colocación del hormigón en los moldes. Con el objeto de validar esta premisa se muestra en la Figura 1 el gráfico que vincula los tiempos de llenado (para una misma tipología de molde) con los asentamientos medidos.
Paralelamente, se realizaron pruebas comparativas con el método Vebe (IRAM 1767), que resulta ser mucho más preciso para detectar pequeñas variaciones de trabajabiidad en mezclas de elevada consistencia, verificándose que este método resulta ser el más indicado para la especificación y control de este tipo de mezclas.
Resistencias mínimas para desmolde y manipulación
En líneas generales, este parámetro fue cumplido de forma holgada en todos los proyectos. Sin embargo, en algunas pocas ocasiones, cuando el control de estas resistencias estaba bajo la responsabilidad del premoldeador, se recibieron algunos reclamos por incumplimiento.
Vale aclarar en este punto que, durante el diseño de las mezclas, este parámetro es verificado para un ciclo de curado a vapor a baja presión previamente definido por la empresa contratista, y debería ser obligación del contratista principal verificar las condiciones en las que opera el túnel de curado durante la producción.
A raíz de haberse detectado de forma casual temperaturas en el ciclo de curado inferiores a las previstas, se tomó la iniciativa de realizar un control sobre esta variable mediante sensores adosados a la superficie del molde, verificándose una madurez inferior a la prevista para el ciclo de curado originalmente informado (Figura 2).
La verificación de la resistencia para el desmolde de las dovelas por métodos tradicionales, puede ser reemplazado por madurómetros (actualmente de origen nacional) permitiendo realizar estos controles de manera más frecuente (Fotografía 6). Esta tecnología se ha aplicado recientemente tanto en la producción de este tipo de elementos como en obras convencionales, comprobándose el correcto comportamiento de los dispositivos bajo temperaturas de curado elevadas y la confiabilidad de los registros obtenidos, accediendo a los datos en tiempo real mediante una aplicación desarrollada por el proveedor (Figuras 3 y 4).
Aclaración de expectativas
Las inspecciones de algunos proyectos exigen el cumplimiento de la resistencia especificada para el hormigón bajo condiciones de curado efectivas generándose algunas controversias cuando se detectan desvíos. Es necesario aclarar que el productor de hormigón es responsable por la entrega de un hormigón que cumpla con esta resistencia bajo condiciones de curado normalizadas (resistencia potencial). El cumplimiento de la resistencia efectiva es responsabilidad del contratista principal o del premoldeador, quien deberá adecuar las condiciones de las dovelas en los acopios para garantizar se logre el nivel de resistencia requerido.
Oportunidades de mejora
Finalmente, quedan por mencionar dos oportunidades de mejoras sobre las que hay que comenzar a trabajar en lo inmediato a nuestro entender.
La primera, relacionada con el reemplazo de los criterios prescriptivos utilizados en las especificaciones hasta el presente (que exigen la utilización de contenidos de cemento mínimos), por otros prestacionales que permitan una mayor libertad para el diseño de las mezclas. A título de ejemplo, en los proyectos que utilizaron clase resistentes H50 y H55, las resistencias características obtenidas superaron en 10 MPa como mínimo a las especificadas; pudiéndose haber disminuido entre 10 a 20 kg/m³ de material cementicio de mediar un criterio prestacional, logrando un uso más eficiente del hormigón y, sobre todo, más sustentable.
El segundo desafío, implica comenzar con la utilización de Hormigón Reforzado con Fibra (HRF). Esta tecnología ya se aplica a nivel mundial para la elaboración de las dovelas colocadas en túneles con TBM permitiendo el reemplazo parcial de armadura de refuerzo convencional por fibras metálicas. Deben considerarse algunas ventajas relacionadas con minimización de los rechazos por incumplimiento de las tolerancias en la colocación de armaduras, un mayor control de la fisuración y un comportamiento superior frente a cargas puntuales a las que son sometidas estas piezas durante el traslado y colocación final mediante la tuneladora. Los HRF ya son utilizados a nivel nacional en proyectos de otro tipo, mientras que varias universidades y centros de tecnología del hormigón trabajan desde hace varios años en la caracterización de estos hormigones.
A pesar de sonar algo pretensioso las reparticiones, ENTES y empresas públicas que encaran este tipo de proyectos, podrían considerar dentro del monto total del contrato de obra, un pequeño porcentaje destinado a la investigación y pruebas a escala industrial a cargo del contratista y supervisadas por la inspección de obra que permitan desarrollar estas tecnologías.
Las propuestas parecen interesantes, sobre todo en un país que necesita de fuertes inversiones en obras de infraestructura, que le permitan desarrollarse de manera integral y brindar un mayor bienestar a la comunidad. Es un camino que necesitamos recorrer, sólo se necesita dar el primer paso.
