Por Britt N. Babcock, E. P.
Las lechadas de cemento y productos químicos son efectivas en una variedad de condiciones del suelo.
Utilizadas en una gran cantidad de proyectos de construcción nuevos y de rehabilitación, las lechadas cementosas y químicas comparten una categoría y un nombre comunes, pero las diferencias distintivas superan con creces las cualidades comunes. Ambos tipos de lechadas se utilizan en aplicaciones civiles que van desde la rehabilitación de tuberías de alcantarillado hasta la construcción de túneles o pozos nuevos, utilizados para llenar cavidades/grietas estrechas, fisuras de rocas o para permear suelos para el control de aguas subterráneas, relleno de vacíos o para aumentar el soporte estructural de la geología. Aunque el cemento y las lechadas químicas pueden diferir en composición, aplicación y costo, en última instancia son productos complementarios en los mismos proyectos. Este documento explorará cuándo y por qué usar los diversos tipos de lechadas y el rango de costos de cada producto.
La práctica de inyectar lechadas y la amplia gama de productos de lechada disponibles pueden complicar la elección de la lechada adecuada para el proyecto. Debido a que es difícil resumir la complejidad del tema en un solo documento, algunos temas específicos de este documento se han generalizado para simplificar. Si existe una situación en su proyecto en la que se requiera inyección de lechada, se debe contratar a un contratista de lechada calificado y a un consultor de lechada experimentado para que le proporcionen recomendaciones de lechada e instalación, y se debe consultar a un proveedor de lechada con conocimientos, como Avanti International, para que le ayude con la selección adecuada de lechada.
Las lechadas y geles se pueden usar para crear una barrera de agua efectiva y duradera, así como estabilizador de suelo.
Familia y Subtipos de lechada
Las lechadas utilizadas en proyectos de construcción civil y rehabilitación se pueden clasificar generalmente en lechada de cemento o química. Dentro de cada familia de lechadas, hay subtipos de lechada primaria: dentro de la familia de lechadas de cemento, el cemento portland ordinario y los cementos ultrafinos definen estos subtipos. La familia de lechadas químicas incluye silicato de sodio, geles acrílicos y espumas expansivas de poliuretano. Aunque cada tipo de lechada madre tiene desovaciones de lechada primaria, aquí es donde terminan las similitudes y los tipos de lechada individuales se dividen en sus propias características únicas.
Las lechadas de cemento se consideran lechadas sólidas en suspensión, porque tienen partículas que componen su composición, que se deriva de la molienda de clínker de cemento portland. El nivel de esfuerzo de molienda aplicado al clínker determina el tamaño medio de las partículas. La lechada de cemento portland generalmente tiene tamaños de partículas de un promedio de 15 micras. Los cementos microfinos varían de 6 a 10 micras, mientras que los cementos ultrafinos pueden tener tamaños promedio de partículas de 3 a 5 micras. La lechada estadounidense en Malad, Idaho, puede proporcionar lechadas cementosas mezcladas personalizadas que cumplen con los requisitos específicos del proyecto.
La capacidad de una lechada para penetrar en una fisura de roca depende en gran medida del tamaño de las partículas, mientras que su capacidad para penetrar en el suelo también depende de la tensión superficial dentro de la lechada. La reología de un cemento, que es la capacidad de flujo de la lechada, se logra a través del control de la relación agua/cemento y casi siempre se agrega un superplastificante para reducir la viscosidad. Si bien se pueden agregar aditivos para ralentizar el tiempo de curado, una vez mezcladas con agua, las lechadas de cemento comenzarán a curarse y crearán una alta resistencia a la compresión. Una vez inyectados, los cementos se consideran soluciones a largo plazo para el control del agua o la mejora estructural con una vida útil que oscila entre 100 y 200 años. Los costos ordinarios de cemento portland (mixto) generalmente oscilarán entre 1 y 2 dólares por galón mixto, mientras que los costos de cementos microfinos/ ultrafinos (mixto) generalmente oscilarán entre 3 y 4 dólares por galón mixto. Estos costos pueden reducirse aún más cuando se emplean proporciones más altas de agua / cemento.
Los tipos primarios de lechadas químicas (silicatos, acrílicos y poliuretanos) son de composición única. Aunque es realmente una lechada de sólidos en suspensión, porque las partículas son tan pequeñas que los silicatos de sodio tienen un alto grado de penetrabilidad en el suelo y la roca, muy similar a las lechadas de solución verdaderas, que no tienen sólidos en suspensión.
El silicato de sodio es una lechada de dos componentes que normalmente tiene una viscosidad muy baja, pero a menudo elimina el agua después de la gelificación mediante un proceso llamado sinéresis. Los silicatos de sodio pueden ser sensibles, casi inestables, cuando se inyectan en cualquier condición de agua subterránea. Con tiempos de gel relativamente cortos, de unos minutos a unas pocas horas, los silicatos de sodio se usan comúnmente como solución temporal para el control del agua o el soporte estructural con una vida útil estimada de unos pocos años. Se puede experimentar una vida útil más larga con silicatos dependiendo de la química de los suelos. Los silicatos de sodio suelen oscilar entre 2 y 3 dólares por galón mixto.
La lechada de sílice coloidal se desarrolló para reducir el problema de la sinéresis con silicatos de sodio, para proporcionar un mejor control de los tiempos de gel y lograr una viscosidad más baja. La lechada de sílice coloidal se prepara en un proceso de varios pasos en el que una solución de silicato se neutraliza parcialmente, lo que conduce a la formación de núcleos de sílice. La sílice coloidal tiene la misma vida útil esperada que el silicato de sodio, pero debido al proceso de múltiples pasos para el desarrollo, los precios son considerablemente más altos, oscilando entre 13 y 15 dólares por galón mixto.
Los acrílicos se definen como» lechadas de solución verdadera», que están libres de sólidos en suspensión y tienen una viscosidad extremadamente baja, similar al agua. La familia de acrílicos consiste en acrilamida y acrilatos. Cada tipo requiere que se mezcle una resina base con un catalizador para crear una matriz de gel dentro de un suelo o roca con un tiempo de gel controlable. La acrilamida cambia de líquido a sólido en un tiempo de gel controlable que oscila entre 3 segundos y 10 horas. Los tiempos de gel de acrilato varían de aproximadamente un minuto a una hora. La vida útil de una acrilamida se estima en más de 300 años, mientras que un acrilato se estima en aproximadamente 50 años. El costo del gel de acrilamida suele oscilar entre 6 y 8 dólares por galón mixto, mientras que los acrilatos son ligeramente más caros, oscilando entre 8 y 10 dólares por galón.
Hay dos tipos principales de lechadas de poliuretano definidas como hidrofílicas e hidrofóbicas. Las lechadas hidrófilas son típicamente sistemas de un solo componente que reaccionan con agua y curan a una espuma flexible expansiva o gel no expansivo que requiere un ambiente húmedo después del curado. Las espumas expansivas hidrofóbicas requieren poca agua para reaccionar, aproximadamente un 4%, y soportan fácilmente los ciclos húmedo/seco. También están disponibles espumas hidrofóbicas verdaderas, que no requieren agua para reaccionar. Las espumas hidrofílicas se expanden de 4 a 6 veces su volumen original, mientras que las espumas hidrofóbicas se expanden hasta 20 veces el volumen original y pueden curar de manera flexible o rígida. La mayoría de los fabricantes llevan resinas de poliuretano con certificaciones NSF o UL que aprueban el uso en aplicaciones de agua potable. La vida útil de la espuma de poliuretano se estima en aproximadamente 75 años. El costo de las resinas de poliuretano (antes de la expansión) suele oscilar entre 60 y 80 dólares por galón, sin curar. Cabe señalar que el costo de las espumas de poliuretano se reduce drásticamente cuando se tiene en cuenta el componente expansivo del material en los costos generales.
Aplicaciones: Cuando & Por qué
Las lechadas químicas y de cemento se utilizan en una amplia variedad de proyectos de construcción que van desde la construcción nueva hasta la rehabilitación. Por ejemplo, las lechadas de cemento Portland y ultrafinas se utilizan principalmente para estabilizar el suelo y/o controlar el agua en proyectos civiles, como presas de tierra, diques, minas, túneles, subterráneos, pozos verticales, estructuras subterráneas o encapsulación de desechos. Estos tipos de proyectos a gran escala a menudo requerirán volúmenes significativos de lechada para inyectarse. Las lechadas químicas a menudo complementarán las lechadas de tipo cemento y, en algunos casos, serán la lechada predominante utilizada para una situación particular.
En muchos proyectos civiles donde se espera que ocurra la lechada, el ingeniero de registro o el consultor de lechada habrá preparado un programa de lechada que define qué tipo de lechada se planea. En algunos casos, sin embargo, no se prevé la necesidad de controlar el agua o estabilizar el suelo y se desarrolla rápidamente un programa de lechada. El tipo de material de lechada utilizado para inyección para una necesidad inmediata generalmente se ejecuta a través de un proceso de prueba y error. Debido a la ventaja económica, la lechada de cemento Portland a menudo será el primer intento. Si las condiciones geológicas no aceptan la lechada de cemento Portland, se utilizará una lechada de cemento ultrafina. Si los cementos Portland o ultrafinos tienen éxito, a menudo no se empleará una resina acrílica como la acrilamida.
Las lechadas también se utilizan ampliamente en la rehabilitación de infraestructuras de alcantarillado sanitario deterioradas, presas de hormigón o estructuras subterráneas. En general, para este tipo de proyectos se utilizan geles acrílicos y espumas de poliuretano. Ambos se utilizan para sellar grietas y juntas con fugas. Sin embargo, el gel de acrilamida se utiliza principalmente en el sistema de tuberías, mientras que las espumas de poliuretano se utilizan en y alrededor de las arquetas y bóvedas. Donde se han producido vacíos detrás de estructuras por debajo de la ley, las espumas hidrofóbicas de poliuretano altamente expansivas se usan comúnmente para llenar el vacío. También se utiliza espuma de poliuretano especialmente diseñada para el levantamiento de losas de concreto, que proporciona soporte estructural mediante el uso de una solución liviana que no promueve el asentamiento adicional de losas. La espuma estructural curada pesa aproximadamente 4 libras por pie cúbico en comparación con el material de mudjacking mucho más pesado.
Cuando se enfrenta a la necesidad de detener fugas, estabilizar el suelo o controlar el agua, se recomienda que se contrate a un consultor de lechada calificado y un contratista de inyección de lechada para proporcionar recomendaciones de instalación y se consulte a un proveedor de lechada con conocimientos para ayudar con la selección adecuada de lechada.
Britt N. Babcock, PE, es Director de la División Geotécnica de Avanti International. Avanti International es un proveedor de servicios completos y un proveedor experimentado de lechadas químicas y de cemento de alta calidad en los Estados Unidos.