1. Titulo: Shotcrete reforzado con fibras: Evaluación de la Tenacidad a la Flexión del Shotcrete
reforzado con fibras sintéticas mediante la Prueba del Panel Redondo (ASTM C1550-02).
2. Autores:

3. Asesor:

4. Universidad: Universidad Nacional de Ingeniería – Facultad de Ingeniería Civil.
Introducción
Hoy en día se viene utilizando con mucho éxito el Shotcrete o concreto lanzado en el mundo, cuyo
campo de aplicación es variado como son: revestimiento y reparación de túneles, estabilización de

taludes, paredes de retención, etc.
Hemos evaluado el Shotcrete reforzado con fibras sintéticas mediante un ensayo de carga, la cual
nos brindara información para determinar la tenacidad a la flexión y la energía a disiparse, algo de
suma importancia para el comportamiento post-falla, que puede adoptarse como control de calidad
en cualquier obra de construcción que necesite Shotcrete reforzado con fibras ya sean de acero o
sintéticas.

5. Objetivos Concisos:
o Determinación de la tenacidad a la flexión del Shotcrete reforzado con fibras sintéticas usando
panel redondo cargado centralmente (ASTM C1500-02)
o Debido a que no existen investigaciones en nuestro medio y es escasa la bibliografía, el presente
trabajo representa la primera experiencia en nuestro país al respecto y esperamoscontinuar la
investigación en esta area para que pueda ser utilizado como control de calidad en este tipo de
reforzamiento para obras de ingeniería civil.
o Difundir la importancia del Shotcrete en el reforzamiento de minas subterraneas y de túneles, ya
que muchos proyectos se truncan o desechan debido a la necesidad de perforación y
reforzamiento de estos.

6. Hipótesis del Problema
o El Shotcrete reforzado con fibras es usado para controlar las deformaciones del terreno y se ha
convertido en uno de los métodos mas usados para el reforzamiento de estructuras en la industria
de la construcción subterranea, donde la medición efectiva del comportamiento de la tenacidad es
un problema debido a que la influencia de parametros como tipo de fibra, diseño de mezcla, y
técnica de lanzado son difíciles de determinar.
o El ensayo del panel redondo mediante una carga aplicada centralmente brindara información
consistente para que nos sirva como control de calidad en obras donde el Shotcrete reforzado con
fibras sintéticas o de acero, según sea el caso, sean necesarias.
7. Desarrollo del Estudio
8.1.

Del Shotcrete

El Shotcrete es un mortero o concreto transportado a través de una manguera y proyectado
reumaticamente a alta velocidad sobre una superficie. Pudiendo ser dicha superficie: concreto
piedra, terreno natural, mampostería, acero, madera, poliestireno, etc.

-1-


El Shotcrete es unmaterial cohesivo y es mas reciente que el concreto convencional pero de
proporciones de mezcla similares, se caracteriza por el alcance temprano

de cierta resistencia

debido al grado de compactación que recibe como consecuencia a las velocidades de impacto que
son del orden de 70 a 80 m/seg. Su alta resistencia inicial puede ser atribuida también a la baja
relación agua/cemento y la utilización de aceleradores de fraguado que han sido desarrollados para
conseguir altos valores de resistencia inicial ademas se puede conseguir la resistencia mínima del
Shotcrete a la compresión al cabo de dos horas, en base a unas mezclas de concreto prevista para
obtener una resistencia de compresión de 45 Mpa en 28 días pero para ello se requieren unos 20
Mpa a las 24 horas.
8.2

Del Shotcrete reforzado con Fibras:

El Shotcrete reforzado con fibras ya sean estas sintéticas o de acero crean un refuerzo homogéneo.
Se pueden aplicar muy rapido, asegurando un refuerzo inmediato a la roca excavada. El refuerzo
homogéneo con fibras permite resistir esfuerzos de flexo tracción en cualquier punto de la capa de
Shotcrete.
Unos espesores uniformes permiten una reducción importante de los consumos de Shotcrete, una
capa de Shotcrete reforzado con fibras tiene una muy buena adherencia a la roca, la cual es
necesaria que se soporte así misma.

Restos de material después de un
lanzado de Shotcrete reforzado confibras.
8.3

Fibras de acero para Shotcrete, se
pueden apreciar los dobleces que
garantizan la eficiencia del refuerzo.

De los Materiales usados para la elaboración del Shotcrete reforzado con Fibras.-

Los materiales usados en el Shotcrete son basicamente los mismos que los utilizados en un concreto
convencional: cemento, agregados inertes finos, agua, aditivos, y a partir de los 80´s se empezaron a
usar fibras.
8.3.1

Del Cemento y el Agua.-

El cemento utilizado fue el cemento convencional Pórtland Tipo I y el agua empleada en el diseño de
mezcla fue agua potable.
8.3.2

De los Agregados.-

Los agregados para el Shotcrete deben cumplir siempre con la norma ASTM C33. En el caso del
agregado global debe cumplir con alguno de los husos granulométricos que aparecen en la tabla
siguiente:

-2-


Cuadro de Gradación de los Agregados para Shotcrete
Porcentaje que pasa por peso
Tamiz

Gradación No 1

Gradación No 2

Gradación No 3

¾ “ ( 19 mm)

-

-

100

½ “ ( 12 mm)

-

100

80 – 95

3/8 “ ( 10 mm)

100

90 – 100

70 – 90

No 4 ( 4.75 mm)

95 – 100

70 – 85

50 – 70

No 8 ( 2.40mm)

80 – 100

50 – 70

35 – 55

No 16 ( 1.20 mm)

50 – 85

35 – 55

20 – 40

No 30 ( 600 mm)

25 - 60

20 - 35

10 - 30

La gradación que utilizamos fue la Gradación No 1.
8.3.3

De los Aditivos.-

Los aditivos utilizados fueron:
POLYHEEDRI.- Es un aditivo retardante, reductor de agua de medio rango, multi-componente y libre
de cloruros formulado para producir en el caso del Shotcrete incremento en el desarrollo de las
resistencias a la compresión y a la flexión en todas las edades, ademas que resulta efectivo ya sea
como un aditivo único o como parte de un sistema de aditivos MBT.
RHEOBUILD 1000 Es un aditivo reductor de agua de alto-rango diseñado para producir concreto
rheoplastico y recomendado para desarrollo rapido de resistencias y uso fundamental en aplicaciones
civiles y de minería ya sea en Shotcrete por vía húmeda o seca.
MEYCO SA160.- Es un aditivo acelerante de elevado rendimiento, exento de alcalis para su
utilización en el proceso de proyección por vía húmeda, adecuado para todas aquellas aplicaciones
donde se requieran resistencias iniciales o finales elevadas, es idóneo para concreto proyectado por
vía húmeda en el sostenimiento de rocas.
8.3.4

De las Fibras.-

Las fibras utilizadas fueron MASTERFIBER 50 PS que
son fibras de polipropileno para refuerzo de concreto y
Shotcrete, recomendado para refuerzo de Shotcrete por
vía húmeda, son desarrolladas para reforzar y extender
la durabilidad del Shotcrete para soporte de roca,
otorgando tenacidad y ductilidad a este, cumple con las
especificaciones

ASTM

C1116

para

concreto

y

Shotcrete reforzado con fibra sintética.
La dosificación de estafibra va a depender de la falla de
energía del Shotcrete. Las fibras pueden ser agregadas
directamente al sistema de mezcla del concreto, durante
o después del mezclado de los otros ingredientes. La
velocidad y duración del mezclado sera la recomendada por el fabricante, generalmente de 5
minutos.

-3-


El mezclado adicional si ocurriese no afecta adversamente la distribución homogénea ni el
desempeño global de la fibra.
8.4

Del tipo de Lanzado seleccionado.-

Hemos optado por el Lanzado Húmedo es decir que el agua la hemos mezclado con los demas
materiales antes de entrar por la manguera.

Se hace un lanzado previo sobre
una superficie antes de lanzar
sobre los moldes.

Proceso de colocación de las fibras
en el Shotcrete antes del lanzado.
8.5

Del Personal en el Shotcreteado.-

El personal que realiza este tipo de trabajo tendra que estar capacitado y adiestrado e integrado
debidamente. Se puede conformar de: un capataz, el operador que llevara a cabo el movimiento de la
pluma así como el colocado del concreto con el control remoto y, un ayudante que vera la
alimentación con concreto al Spray móvil.
8.6

Del Equipo utilizado.-

Los equipos para la aplicación del Shotcrete constan de una pistola o bomba, un compresor, un
mezclador, boquillas y diversas mangueras. El equipo Spray móvil Meyco-Suprema-MBT, es un
equipo sofisticado que emplean plumas de boquillas accionadasa control remoto, el operador se
ubica de manera segura en el extremo opuesto, fuera del alcance de las rocas que caen, la pluma
tiene completa libertad de movimiento en todas las direcciones permitiendo incluso el movimiento
rapido de la boquilla.

Equipo de Lanzado móvil Meyco Suprema MBT utilizado en nuestro
ensayo.

Lanzado del Shotcrete reforzado con
fibras sintéticas en los moldes de
los paneles redondos.

-4-


8.7.

De la Prueba del Panel Redondo.-

El ensayo del panel redondo es un experimento Standard que sigue las normas americanas ASTM
C1550-02. Este ensayo consiste en cargar un espécimen circular de 800 mm de diametro y 75 mm de
espesor con una variación de ± 1.5 mm el cual es apoyado sobre 3 apoyos de cuna ubicados
simétricamente. El espécimen es cargado en forma concéntrica para generar una flexión que
desarrollara grietas radiales entre apoyos. La velocidad de la carga debera ser controlada de manera
tal de mantener un valor de 4 mm. /minuto en el rango elastico del espécimen.
La medición del desplazamiento se efectuara por un sistema de medición dinamico de manera que
pueda determinarse a partir de la curva desplazamiento vs. carga, la cantidad de energía disipada por
el espécimen hasta alcanzar una deformación del orden de 40 mm donde finaliza el ensayo. Debera
medirse el desplazamiento de los apoyos para realizar una corrección en el desplazamiento central y
evaluarla energía desarrollada con los valores corregidos.
El cuidado de la fabricación de los especimenes, moldes, perpendicularidad, angulo de lanzado y su
uniformidad son variables sensibles al resultado de la prueba.
8.7.1

De sus Ventajas.-

La prueba del panel redondo ofrece varias ventajas importantes sobre formas de alternativa de la
valoración del comportamiento de la tenacidad a la flexión. Lo mas importante de eso es la baja
variabilidad en los resultados y el uso de formas faciles para prepararlo. Ensayos extensivos de FRS
(Fiber Reinforced Shotcrete) basados en paneles redondos para proyectos de túneles y minería en
Australia han demostrado una reducción en los costos en cerca del 40% comparado con el uso de
vigas.
Los ensayos pueden ser hechos tan pronto como a 2 horas después del lanzado, dependiendo del
tipo y desagüe del acelerante usado. Esto hace a la prueba del panel redondo una herramienta útil
para el estudio del comportamiento de las FRS en las primeras horas después del lanzado, puede
ayudar a entender como el material interactúa con la roca y permitir la estabilización. Si el espécimen
es cuidadosamente desmoldado después del endurecimiento, y el espesor se mantiene uniforme, la
carga de agrietamiento puede ademas ser usada para calcular el Modulo de Rotura de la matriz de
concreto basada en el analisis del comportamiento estructural de la línea marcada.
Es principalmentela parte agrietada del espécimen de FRS la que es evaluada durante un ensayo de
tenacidad. Por consiguiente es importante obtener una sección agrietada larga si el ensayo es para
producir resultados que son representativos de los materiales así como del lanzado. La larga area de
la superficie agrietada generada es ademas, en parte, responsable para la baja variabilidad en el
comportamiento logrado de la tenacidad a la flexión usando este ensayo. Tres grietas radiales son
formadas en casi todos los especimenes cargados para una longitud total de grietas de 1200 mm
comparado con entre 100 y 150 mm para la mayoría de los ensayos estandar en vigas.
8.7.2

De su Aplicación en las minas Subterraneas.-

En las minas subterraneas hay dos tipos basicos de dificultades de apoyo de terreno encontrados.
El primero es cuando los esfuerzos de la roca son pobres y el terreno no va a soportarlo por si mismo.
Para ello el Shotcrete reforzado con fibras es usado para controlar las deformaciones del terreno. El
otro tipo de dificultad es encontrado cuando el esfuerzo de la roca es alto, pero in-situ el esfuerzo de
la roca aumenta a niveles que excede el esfuerzo de la roca. Esto puede llevar a eventos sísmicos o
estallido de la roca. Esto es una condición aprensiva para minas con las caras de las rocas

-5-


aparentemente seguras que pueden explotar violentamente sin advertencia. El Shotcrete reforzado
confibras es ahora visto como la mejor forma de controlar ambas de estas dificultades, usando
Shotcrete reforzado con fibras en terrenos sujetos a actividades sísmicas.

Como un estallido de roca puede ocurrir
inmediatamente después de la explosión. El
esfuerzo temprano de las capas del Shotcrete
es

una

preocupación.

El

trabajo

esta

haciéndose ahora para investigar cómo la
dureza crece en las primeras horas después de
rociar el Shotcrete.
La ingeniería minera ahora reconoce que
incluyendo
El FRS ayuda a controlar las deformaciones
del terreno que de otro modo no podría ser
minable.
8.8

fibra

como

reforzamiento

en

Shotcrete puede reforzar la capacidad de
absorción de energía del sistema en 10 veces
para un aumento del costo en menos del 10%.

Resultados.-

Los ensayos fueron realizados en el Laboratorio de Estructuras del CISMID/FIC/UNI durante el mes
de Diciembre del 2003 y Enero del 2004.
Hemos dividido nuestros ensayos en 2 partes
La primera que corresponden a las muestras M-1, M-2, y M-3, usando fibra MBT con una densidad de
fibra de 5 Kg. /m3. La segunda que corresponden a las muestras M2-1, M2-2, M2-3, y M2-4, usando
también fibra MBT pero en este caso variando la densidad de fibra a 8 Kg. /m3.
Cuadro de Espesores de las muestras de Panel Redondo
Muestras

M1-1

M1-2

M1-3

M2-1

M2-2

M2-3

M2-4

83.700

93.500

81.750

81.25096.150

94.200

83.150

83.900

95.450

89.000

88.850

91.200

85.350

87.500

81.750

85.300

81.900

86.250

88.000

92.500

82.250

89.400

90.500

84.850

82.650

85.350

85.900

86.850

84.000

89.950

88.000

85.500

87.000

84.750

86.000

Promedio

84.550

90.940

85.100

84.900

89.540

88.540

85.150

Desviación

2.864

3.869

3.360

3.007

4.267

4.450

2.321

Espesores
de las
Muestras
en mm.

-6-


Cuadro de Diametros de las muestras de Panel Redondo
Muestras

M1-1

M1-2

M1-3

M2-1

M2-2

M2-3

M2-4

800.000

802.000

801.000

799.000

801.000

795.000

796.000

804.000

805.000

802.000

801.000

790.000

797.000

797.000

799.000

808.000

799.000

796.000

805.000

809.000

799.000

800.000

802.000

795.000

794.000

802.000

794.000

802.000

792.000

798.000

799.000

802.000

798.000

808.000

804.000

Promedio

799.000

803.000

799.200

798.400

799.200

800.600

799.600

Desviación

4.359

3.742

2.683

3.362

5.718

7.301

3.362

Diametros
de las
Muestras
en mm.

Cuadro de Grietas de las muestras de Panel Redondo
Muestras

M1-3

M2-1

M2-2

M2-3

M2-4

22.0

16.0

15.0

11.0

12.0

13.0

16.0

26.0

13.0

10.0

23.0

15.0

18.09.0

26.0

18.0

20.0

20.0

14.0

12.0

Energía maxima absorbida fue dado con una densidad de fibra de 8 Kg. /m3 (M2-2)
CISMID/FIC/UNI - Solicitante: UNICON 18/12/2003
Ensayo de Tenacidad a la Flexion de Concreto Reforzado con Fibra en
Panel Redondo - ASTM-C1550-02
Muestra M2-2

35

Carga (KN)

30
25
20
15
10
5
0
0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Deformacion (mm)

La energía mínima absorbida fue dado con una densidad de fibra de 5 Kg. /m3 (M1-3)

C ISM ID/FIC/UNI - So licitan te : UNICON 18/12/2003
En s ayo d e Te n acidad a la Fle xio n d e Co n cr e to Re fo r z ad o co n
Fib r a e n Pan e l Re do n do - AST M -C1550-02
M u e s tr a M 1- 3
35
30
25
Carga (kN)

mm.

M1-2

11.0
Grietas en

M1-1

20
15
10
5
0
0

5

10

15

20

25

Deform acion (mm )

-7-

30

35

40

45


Cuadro de Resultados de las Muestras de Panel Redondo evaluadas a la Tenacidad a la
Flexión.
Muestra

M1-3

M2-1

M2-2

M2-3

M2-4

5

5

5

8

8

8

8

461.540

543.088

533.681

300.991

25.235

27.195

19.355

25.235

30.870

24.010

25.235

0.671

(Kg. /m3

M1-2

394.377 351.182 282.912

Densidad de Fibra

M1-1

0.695

1.024

0.671

0.693

0.712

0.729

Energía Absorbida
(Joules)
Carga Maxima de
Agrietamiento (KN)
Desplazamiento en
Maxima Carga (mm)8. Posible Solución al Problema.El camino esta trazado, el control de calidad que brinda el panel redondo para el Shotcrete reforzado
con fibras y la consecuente evaluación de la tenacidad a la flexión de este material nos dan
alternativas suficientes para poder evaluar el FRS en proyectos de construcción de túneles, minas y
minas subterraneas, nuestros experimentos con fibras sintéticas dieron resultados aceptables, la
densidad de fibra usada de 5 y 8 Kg. /m3 fue bien dosificada así como los aditivos seleccionados,
ahora es tiempo de continuar con la investigación, por nuestra parte estamos ya evaluando las fibras
de acero, tenemos ya algunos resultados y podremos comparar los beneficios de estas en
comparación con las sintéticas, por lo planteado y por la teoría existente podemos decir que las fibras
sintéticas trabajan mejor que las de acero pero el hecho de una evaluación de estas no estara nunca
de mas.
9. Conclusiones y Recomendaciones El Shotcrete reforzado con fibras ofrece muchas ventajas en comparación al Shotcrete
convencional, por ejemplo: lo hace mas dúctil, controla las fisuras, tiene una aplicación mucho mas
rapida y facil, es mas durable, eficaz y rentable.
- Aplicado el Shotcrete sobre una superficie rocosa es obligado a introducirse en las fisuras y en las
juntas abiertas, de este modo se hace cargo de la misma función de unión que tiene el mortero en un
muro de piedra. Auncuando se aplique en forma de capa fina, cuenta con una considerable
capacidad para impedir el desprendimiento de rocas.
- La trabajabilidad de toda la mezcla se vera afectada por la adición de las fibras, es decir que no es
recomendable adicionar mas agua, sino que diseñar la mezcla de tal forma que permita la adición de
fibras.
- Estudios en Australia han establecido la superior confiabilidad de la prueba del panel redondo en
comparación a los ensayos en vigas.

-8-


- La minería seria el sector mas beneficiado al aplicarse este ensayo ya que incluyendo fibra como
reforzamiento en el Shotcrete se puede reforzar la capacidad de absorción de energía en 10 veces
para un incremento del costo en solo 10%.
- Para que haya una menor variabilidad en los resultados de la prueba se recomienda que el
Shotcrete sea lanzado sobre los paneles de manera cuidadosa para no tener problemas con la
desviación del espesor en las muestras.
- Hay que analizar las grietas que se producen en el ensayo ya que de ellas dependen si existira una
baja o alta variabilidad en el comportamiento logrado de la tenacidad a la flexión.
- Se puede apreciar que variando la densidad de fibra de 5 Kg. /m3 a 8 Kg. /m3 existe un incremento
en la energía absorbida por el espécimen por consiguiente la carga maxima de agrietamiento debería
ser mayor en la mayoría de los casos, vemos que no es así en su totalidad, solo la muestra M2-2cumple con esta hipótesis, esto puede ser muy favorable ya que la variación de la densidad de 5 Kg.
/m3 a 8kg/m3 es un costo de fibra adicional importante y producen similares respuestas de carga
maxima y de desplazamientos en dicha carga.
- La energía maxima absorbida fue dado con una densidad de fibra de 8 Kg. /m3 en el espécimen M22 con 543.088 Joules para una carga maxima de agrietamiento de 30.870 KN y un desplazamiento en
dicha carga de 0.693 mm
- La energía mínima absorbida fue dado con una densidad de fibra de 5 Kg. /m3 en el espécimen
M1-3 con 282.912 Joules para una carga maxima de agrietamiento de 19.355 KN y un
desplazamiento en dicha carga de 1.024 mm.

10. Referencias Bibliograficas Stefan Bernard; Release of New ASTM Round Panel Test.
- Stefan Bernard; Round Determinate Panel Testing in Australia.
- Matthew Clements; Shotcreting in Australian Underground Mines.
- Specification for Determinate Panel Test for inclusion in RTA Spec.82 Shotcrete.
- Adriana Reyes; Concreto Lanzado.
- Alex Cano y Freddy Castañeda; Shotcrete Reforzado con fibras de Acero Caso Practico: Central
Hidroeléctrica de Yuncan.
- Jorge Gutiérrez; Shotcrete para Sostenimiento Subterraneo.
- Folletos MBT referente a la fibra y los aditivos utilizados.
- Dr. Carlos Zavala; Ensayo de Tenacidad a la Flexión en Paneles Redondos de concreto con fibra
ASTM C1550-02. Reporte CISMID/FIC/UNI, Enero 2004.

-9-