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ALTERNATIVAS DE USO DEL MORTERO DE RESINA EN LA FIJACIN DE
PERNOS DE ANCLAJE, CONSOLIDACIN Y DISIPACIN DE VIBRACIONES EN LA
ACTIVIDAD MINERA
Oswaldo Ortiz Snchez
Francisco Denis Fernndez Cauti
Instituto de Investigacin - Escuela de Minas - UNMSM
0. ANTECEDENTES A principios y mediados del siglo XIX, se
conceptuaron los principios de anclaje
fundamentales en el reforzamiento de excavaciones subterrneas,
como son: a)
el efecto de suspensin, que considera al perno de anclaje como
un elemento
que hace posible la transferencia del peso de estratos dbiles de
roca hacia los
estratos que se encuentran fuertes y menos perturbados; b) el
efecto viga, que
consiste en el anclaje con pernos a un conjunto de estratos
dbiles, con la
finalidad de que se comporten como una sola viga; c) el efecto
arco, que crea
en el permetro de la excavacin un arco estable de compresin
formado de
rocas que estn perturbadas, y como consecuencia de la instalacin
de pernos
de anclaje, se originan esfuerzos de compresin en toda la
periferia del macizo
rocoso; y d) el efecto perno o Nailing, en estructuras de rocas
homogneas
competentes. El papel principal de los esfuerzos es resistir
los
desprendimientos de bloques o placas en puntos crticos, lo cual
es entendido,
para evitar la desintegracin del terreno.
La accin e interaccin de uno o ms de estos efectos en la
aplicacin del
reforzamiento en una excavacin subterrnea. Sumado a los sistemas
de
anclaje ms eficaces medidos por su capacidad de anclaje y su
rapidez de
aplicacin, hoy es posible hablar con mayor aceptacin del
reforzamiento de
labores mineras con pernos y tendones de anclaje. Entre los ms
utilizados, se
puede mencionar los pernos de anclaje expansivos de tipo
puntual, los pernos
de adherencia longitudinal Swellex y Split Set, que se aplican
con mayor
frecuencia en labores eventuales de corto ciclo de vida (tajeos
de explotacin).
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Asimismo, tenemos los pernos de anclaje longitudinal con lechada
de cemento
que se aplican generalmente en labores de largo perodo de vida
(galeras
principales, bvedas, etc.), con mejores resultados en ambientes
ausentes de
filtraciones de aguas corrosivas. Por ltimo, contamos con los
pernos de anclaje
con resinas epxicas en su forma de salchicha, que son los ms
adecuados en
las excavaciones cuyas caractersticas del macizo rocoso
requieren de
reforzamiento activo inmediato (proceso de deformacin
acelerada), o con
presencia de aguas corrosivas, con el inconveniente de que
existe un cierto
grado de incertidumbre sobre el mezclado y adherencia en el
fondo de la
perforacin, as como el de su elevado costo.
La perforacin e inyeccin de lechada de cemento reforzado con
varillas de
acero son tambin usados en la consolidacin de plataformas en su
forma de
pilotes. La eficacia del sistema depender del medio y los
efectos a la que ser
sometida la plataforma, como tambin de las caractersticas del
elemento
consolidador.
1. INTRODUCCIN El trabajo de investigacin que hemos desarrollado
estudia la alternativa de uso
del mortero de resina, de acuerdo a sus propiedades observadas,
en la fijacin
de pernos de anclaje en excavaciones mineras, consolidacin y
disipacin de
vibraciones en los cimientos de plataformas (entre la interfase
macizo rocoso -
cimentacin) para la instalacin de molinos, winches, tolvas, etc.
Esta es una
iniciativa en respuesta a los problemas muy frecuentes en el
reforzamiento con
pernos de anclaje en ambientes con presencia de aguas corrosivas
o en
proceso de deformacin acelerada en las excavaciones mineras,
como tambin
ante problemas de subsidencia de cimentacin en plataformas,
donde se
encuentran instalados equipos de gran tonelaje, y que producen
fuertes
vibraciones durante su funcionamiento.
El material slido en estudio (mortero de resina), est formado
por una resina
expansiva de poliuretano y agregado (gravilla de 3-5 mm, dureza
media a alta).
La resina expansiva es un producto formado por dos componentes,
cuya
mezcla en proporcin de uno en uno produce una espuma
consistente, durante
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una reaccin qumica constante en la interfase de los componentes,
los mismos
que requieren un mnimo de mezclado realizado por la bomba de
inyeccin.
Esta reaccin culmina una vez que ambos componentes se hayan
agotado por
completo. El resultado final es una espuma slida consistente
producto del
aumento de volumen inicial entre tres a cuatro veces. Sus
propiedades de
fraguado rpido dependern principalmente de la cantidad de resina
empleada,
que flucta entre cinco a diez minutos, con un proceso de
endurecimiento
mximo en dos horas.
A partir de las caractersticas particulares de la resina
expansiva, fue posible
idear la formacin de un material slido (mortero de resina),
formado con la
resina expansiva y agregado. Este mortero de resina solamente se
puede
formar bajo un sistema, donde el agregado se encuentre en un
estado esttico,
confinado y cautivo. Dentro de este sistema esttico cautivo, se
deposita la
resina en proceso de reaccin. La resina en proceso de expansin
penetra
imparable entre los intersticios y oquedades que existen entre
gravilla y gravilla,
formndose un material slido muy homogneo en su interior, con
una
apariencia a la de un conglomerado rocoso artificial.
Las pruebas de laboratorio de las propiedades fsicas necesarias,
que se
llevaron a cabo en el Laboratorio de ensayes de materiales de la
Facultad de
Ingeniera - UNI, considera la realizacin de ensayos comparativos
entre la
lechada de cemento y el mortero de resina, con la finalidad de
obtener los
valores referenciales mnimos requeridos para el anlisis de
aplicacin confiable
del mortero de resina. Las pruebas macroscpicas consisten en
la
determinacin de las resistencias de compresin simple, traccin
indirecta,
corte transversal y capacidad de adherencia, mientras que la
prueba
microscpica consiste en la observacin de secciones opacas a fin
de
determinar el grado de penetracin, distribucin y cohesin de la
resina
expansiva sobre las partculas de la gravilla. De los resultados
de los ensayos
fsicos comparativos se concluye que el mortero de resina es un
material con un
comportamiento cuasi elstico, con una elevada capacidad de
adherencia como
ventaja y sui desventaja es su menor resistencia a la compresin
que la lechada
de cemento.
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Para las pruebas de aplicacin en el campo, de acuerdo con sus
caractersticas
analizadas del mortero de resina, se proyecta orientarlo a la
consolidacin,
disipacin y transmisin de vibraciones entre las interfases
macizo rocoso -
cimentacin - estructura mecnica, en la instalacin de equipos,
como:
chancadoras, molinos, winches, y tolvas. Actualmente, se trabaja
en la
consolidacin del macizo rocoso y en el diseo del sistema de
disipacin,
transmisin de vibraciones en los puntos crticos del nuevo winche
de 48
toneladas de peso de la mina Casapalca, que ser instalado en el
nivel 790.
Asimismo, se proyecta su aplicacin en el anclaje de pernos de
anclaje en el
reforzamiento de labores mineras, para lo cual se tiene
programado realizar las
primeras pruebas, de acuerdo al diseo de aplicacin.
2. NOCIN DEL MORTERO DE RESINA La nocin del mortero de resina
nace a partir de las caractersticas particulares
de la resina expansiva. Este material slido formado a partir de
resina
expansiva y agregado (gravilla con una granulometra 3 a 5 mm,
dureza media
a alta) solamente se puede formar bajo un sistema, donde el
agregado se
encuentre en un estado esttico, confinado y cautivo. En este
sistema esttico
cautivo, se deposita la resina al interior del sistema en
proceso de reaccin. La
resina en expansin penetra imparable entre los intersticios y
oquedades que
existen entre gravilla y gravilla, formndose un material slido
muy homogneo
en su interior, con una apariencia a la de un conglomerado
rocoso artificial, tal
como se muestra en la secuencia fotogrfica N 1.
INYECCIN DE RESINA EXPANSIVA
SISTEMA ESTTICO CAUTIVO
LLENADO DEL
AGREGADO
OBTENCIN MORTERO DE RESINA
SECUENCIA FOTOGRFICA N 1
c b
d a
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3. PRUEBAS DE LABORATORIO Las pruebas de laboratorio de las
propiedades fsicas necesarias del estudio
comparativo de la lechada de cemento y el mortero de resina se
realizaron en el
Laboratorio de ensayes de materiales de la Facultad de Ingeniera
Civil de la
Universidad Nacional de Ingeniera. Las pruebas macroscpicas que
se
consideraron realizar son la determinacin de las resistencias de
compresin
simple, traccin indirecta, corte transversal y capacidad de
adherencia, as
como la prueba microscpica, que consiste en la observacin de
secciones
opacas a fin de determinar el grado de penetracin, distribucin y
cohesin de
la resina expansiva sobre las partculas de la gravilla.
Las pruebas de compresin simple se ejecutaron en una prensa
hidrulica
Tinius Olsen de 100.000 k de capacidad. Se prepararon probetas
cilndricas de
lechada de cemento y mortero de resina de 10 cm de dimetro y 20
cm de
altura. Los ensayos con respecto a la lechada de cemento, tanto
como las
pruebas de compresin y de traccin, se realizaron a intervalos de
tiempo de
fraguado constante (cada 3 das), con el objeto de evaluar los
cambios de
resistencia con relacin al tiempo de fraguado en un periodo de
28 das.
Requieren acondicionar las muestras para que la carga sea
aplicada
uniformemente sobre el total de la superficie, para lo cual en
los extremos
circulares de la probeta se pega una lmina solidificada de una
mezcla de
azufre y bentonita fundido a 60 C. Esta capa corrige
irregularidades y le da
horizontalidad a las bases para obtener un resultado
representativo.
Para el caso de las pruebas de resistencia a la compresin de la
lechada de
cemento, se obtuvo un incremento apreciable desde 110 k/cm2
hasta 250 k/cm2
entre el primero y el octavo da de fraguado. Entre los
intervalos del noveno al
vigsimo octavo da, se registr una gran dispersin de datos
alcanzando un
valor medio de 260 k / cm2. De los resultados comparativos se
observa que la
resistencia a la compresin del mortero de resina es la mitad que
la lechada de
cemento. Se observa una mejor conservacin fsica de la muestra
del mortero
de resina, por la gran capacidad de absorcin de la energa
mecnica
entregada, considerando la velocidad de carga el doble que en
los ensayos de
la lechada de cemento. La Tabla N 1 presenta los promedios de
las
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resistencias a la compresin simple de ambos materiales. La
secuencia
fotogrfica N 2 ilustra detalles del ensayo.
En las pruebas de traccin indirecta (mtodo brasileo), se
realizaron los
clculos mediante la expresin: = 2.T/( PI x D x h) donde T es la
fuerza de compresin uniaxial aplicado por el prensa hidrulica
Tinius Olsen, D y h son el dimetro y altura de la probeta
respectivamente.
Los esfuerzos calculados para las probetas de lechada de cemento
varan con
el tiempo de fraguado desde un promedio de 15 k / cm2 en el
primer da de
fraguado hasta 24 k / cm2 como mximo en el da 28 de fraguado.
Para el caso
de los ensayos en el mortero de resina, presenta valores muy
similares a la
lechada de cemento, con la diferencia del tipo de ruptura
vertical, que se
produce progresivamente a lo largo de la muestra, comenzando en
mayor grado
en uno de los extremos, y en menor grado en el otro extremo, que
a veces no
presenta fisura alguna. Esto obedece a la diferencia mnima de
densidades, de
acuerdo a la direccin de ascenso de la resina expansiva sobre el
medio
cautivo de grava. La tabla N 1 presenta los promedios de las
resistencias a la
traccin indirecta de ambos materiales. La secuencia fotogrfica N
3 ilustra
detalles del ensayo.
a) Instalacin de muestra en equipo hidrulico. b) Ensayo en
probeta de mortero de resina. c) Ensayo en probeta de lechada de
cemento.
Resultados
Comparativos
SECUENCIA FOTOGRFICA N 2
a b c d
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Para el caso de los ensayos en el mortero de resina, presenta
una gran cuasi
elasticidad antes de llegar a su punto mximo de ruptura, con
valores muy
similares a la lechada de cemento.
Para la prueba de corte transversal se prepar un aditamento
especial de acero
que se acopla a la prensa hidrulica Amsler de 100.000 k de
capacidad para
efectuar esta prueba. Las muestras son prismas rectangulares de
4 x 4 x 16
centmetros, que encajan exactamente en el aditamento de acero.
El corte se
genera en un plano vertical transversal al eje de la muestra,
aplicando la carga
en direccin ascendente.
En la lechada de cemento la resistencia al corte es errtica y se
inici con 33
k/cm2 alcanzando 49 k/cm2 en el da 8 de fraguado. Entre los das
9 y 28 se
produce gran dispersin estableciendo una media de 40 k / cm2.
Para el caso
de los ensayos en el mortero de resina, presenta una gran cuasi
elasticidad
antes de llegar a su punto mximo de ruptura, con valores muy
similares a la
lechada de cemento. La secuencia fotogrfica N 4 ilustra detalles
del ensayo.
a) Instalacin de muestra en equipo hidrulico. b) Ensayo en
probeta de mortero de resina. c) Ensayo en probeta de lechada de
cemento.
Resultados
Comparativos
SECUENCIA FOTOGRFICA N 3
a c b e
d
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Los ensayos de capacidad de adherencia en laboratorio se
realizaron en
bloques de roca de diferentes tipos (andesitas, calizas y toba
volcnica),
perforadas con taladros de dimetros entre 1-3/4 pulg. a 3 pulg.
La lechada de
cemento se prob en muestras de andesita con perforaciones de 3
pulg. de
dimetro y el mortero de resina en muestras de varios tipos de
roca con
perforaciones entre 1-3/4 a 3 pulg. de dimetro. Las
perforaciones en las
muestras fueron rellenadas con lechada de cemento o mortero de
resina
fijando, adems, una varilla metlica en el eje central con el
objeto de facilitar
las pruebas en la prensa hidrulica Tokyokoki Seizosho, con
capacidad en
tensin / compresin de 50.000 k. La secuencia fotogrfica N 5
muestra la
preparacin de la muestra con mortero de resina, de acuerdo con
las nociones
de formacin del mortero de resina.
a) Instalacin de mecanismo de ensayo en equipo hidrulico.
b) Ensayo en muestra de mortero de resina. c) Ensayo en muestra
de lechada de cemento.
Resultados
Comparativos
SECUENCIA FOTOGRFICA N4
a
c
b
d
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En estas pruebas se midi la adherencia en la interfase
roca-lechada de
cemento y roca-mortero de resina. De los resultados en el
mortero de resina, se
concluye que tiene una gran capacidad de anclaje,
independientemente del tipo
de roca, debido a la misma nocin con la que se produce el
mortero en la
perforacin. Cuanto ms porosidad presente la roca, como por
ejemplo una
toba volcnica, la adherencia del mortero de resina ser mayor. A
esto se suma
el buen estado de conservacin que presenta la muestra al final
del ensayo,
producto del alto grado de cohesin del material. La tabla N 1
presenta los
resultados de las pruebas de adherencia en lechada de cemento a
los 28 das
de fraguado y en mortero de resina a las 2 horas despus de
preparado. La
secuencia fotogrfica N 6, ilustra detalles del ensayo.
SISTEMA ESTTICO CAUTIVO
INYECCIN DE RESINA EN GRAVA
OBTENCIN MORTERO DE RESINA
SECUENCIA FOTOGRFICA N 5
a, b) Muestras de mortero de resina y lechada de cemento.
c) Ensayo de muestra en equipo hidrulico. d e) Resultado final
del ensayo
Resultados Comparativos
SECUENCIA FOTOGRFICA N 2
e
d
b
a
f c
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RESULTADOS PROMEDIOS DE LOS ENSAYOS DE LABORATORIO
TABLA N1
ESFUERZOS DE CAPACIDAD
MATERIAL TIEMPO COMPRESION TRACCION CORTE DE
EN DE UNIAXIAL INDIRECTA TRANVERSAL ADHERENCIA
PRUEBA FRAGUADO Kg/cm2
2 das 149,50 25,74 57,06
LECHADA DE 5 das 228,60 18,77 32,50
CEMENTO 8 das 250,00 16,20 49,60
constante 262,00 16,50 49,50
8,20
MORTERO
DE RESINA 5 minutos 120,30 24,50 50,10 20,40
En las muestras microscpicas en secciones opacas en una plaqueta
con agua
a 30 x y 50 x de ampliacin, se observa que la resina expansiva
en su estado
pastoso (proceso de expansin) hace flotar a los elementos
lticos, logrando
cubrir en su totalidad a cada gravilla. Asimismo, la adherencia
es ms fuerte en
rocas granticas, porfidticas, que en las rocas afantitas. La
secuencia
fotogrfica N 7 ilustra los resultados de las observaciones.
PRESENTACIN MACROSCPICA DE
PROBETAS
RESULTADOS
MICROSCPICOS
SECUENCIA FOTOGRFICA N 7
a c
b
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4. APLICACIN DE CAMPO Para las pruebas de aplicacin de campo, se
utiliza una bomba de inyeccin
neumtica de gravilla, de 8000 cm3 de capacidad, con un peso de
25 k, y otra
bomba neumtica de inyeccin de resina expansiva con un peso de 28
k. La
secuencia fotogrfica N 8, ilustra detalles de estos equipos de
bombeo.
Para las pruebas de aplicacin en el campo, tiene trabajos
diferentes. La
primera en la consolidacin, disipacin y transmisin de
vibraciones entre las
interfases macizo rocoso - cimentacin - estructura mecnica del
equipo en
plataformas, como chancadoras, molinos, winches, tolvas y otros.
La
consolidacin del terreno se realiza mediante una malla de
perforaciones de
taladros largos, inyectados con mortero de resina y hierro
corrugado en forma
de pilotes verticales. Estas varillas de hierro corrugado se
consideran parte de
la construccin de los cimientos de la estructura, que adsorbe
las vibraciones
generadas por los equipos. El Grfico N 1 muestra la ubicacin en
una seccin
transversal de los pilotes con detalles del sistema de aplicacin
en el diseo de
una tolva de gruesos de 800 toneladas de capacidad. Para la
aplicacin en el
reforzamiento de excavaciones mineras, se tiene programado
realizar los
ensayos correspondientes a fin de probar los diseos tericos que
se tienen
desarrollados.
b) Bomba neumtica de inyeccin de resina expansiva
SECUENCIA FOTOGRFICA N 8
a b a) Bomba neumtica de inyeccin de agregado
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5. CONCLUSIONES Despus de varios ensayos, se determin que el
tamao ptimo de la gravilla es de 3 a 5 mm. Los ensayos se
realizaron en muestras con la
proporcin mnima de formacin en volumen de resina expansiva y
gravilla de
una a cuatro, y permiten aumentar la proporcin de la resina en
una a dos
como mximo.
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De los resultados comparativos de los ensayos de laboratorio, el
mortero de resina se comporta como un material cuasi elstico, con
gran cohesin, que
ofrece aproximadamente igual resistencia a los esfuerzos de
traccin indirecta,
corte transversal y mayor capacidad de adherencia en contacto
del macizo
rocoso que la lechada de cemento. Pero, por otro lado, ofrece
menor resistencia
a esfuerzos de compresin simple.
De su aplicacin en campo, es factible crear el sistema esttico
cautivo para la formacin del mortero de resina, en la consolidacin,
disipacin y
transmisin de vibraciones en la interfase del macizo rocoso -
cimentacin -
estructura metlica, en la instalacin de equipos que producen
vibraciones en
su funcionamiento, con la finalidad de evitar las subsidencias
de estas
plataformas y as mejorar la operatividad y el tiempo de vida de
componentes
mecnicos de estos equipos.
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