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IMPLEMENTACIÓN DE DISEÑO DE SHOTCRETE USANDO EL 10 POR CIENTO DE RELAVE POR ARENA

Presentado en el V Seminario Peruano de Geoingeniería.
Por: M.A. Lozada y A.A. Goñe, Compañía Minera Ares, Pallancata, Ayacucho, Perú.


Resumen 

Este estudio presenta la investigación y ensayos previos para incorporar en el diseño de shotcrete un porcentaje de material de relave que reemplace otro de agregado con fines de sostenimiento en minería subterránea, manteniendo factores de seguridad adecuados en nuestra operación minera. Para el desarrollo de la investigación técnica se han realizado varios diseños a nivel de laboratorio, se han ejecutado también pruebas de campo y seguimiento del shotcrete lanzado con 10% de relave en el diseño. Se han realizado los ensayos de resistencia correspondientes a cuatro horas, tres, siete, 14 y 28 días y, en el caso, de flexotracción a 28 días. Y hemos complementado la investigación con ensayos de microscopía tanto del relave como de la arena de río.

Introducción

El departamento de geotecnia Pallancata está desarrollando una alternativa de mejoramiento de las características del shotcrete, la que está enfocada en dos parámetros importantes la resistencia a la compresión y la absorción de energía, para ello se está usando aditivos de tercera generación y relave del proceso metalúrgico. El uso de relave en proporciones adecuadas generó un incremento en la resistencia a la compresión simple del concreto y por consecuencia también a la capacidad de absorber energía, así mismo al reutilizar un material que impacta al medio ambiente se generar alternativa de reducir las zonas de acopio (relaveras).

Este trabajo permitirá obtener alternativas de optimización del shotcrete, enfocándonos en reducir el volumen de lanzado, debido a que al lograr un elemento de sostenimiento de mejores características que la actual, es factible reducir espesores de instalación de shotcrete, impactando directamente en la reducción del volumen de este y a la optimización del tiempo de sostenimiento, incrementando la eficiencia operativa.

Objetivo

Partiendo de la premisa que actualmente el shotcrete utilizado en la unidad Pallancata es de 280 Kg/cm2 de resistencia a la compresión y de 700 Jouls de absorción de energía. El objetivo principal es:

ν Diseñar un shotcrete de alta resistencia (350- 400Kg/cm2) y alta absorción de energía (850-900 Jouls) con el uso de material desechable (relave).

ν Reducir el volumen de shotcrete utilizado en mina como elemento de sostenimiento.

ν Reutilizar el material desechado (relave) ge- nerando un impacto favorable al medio am- biente.

Etapas de evaluación

Etapa 1. Estudio de las características de los materiales, diseño en el laboratorio del shotcrete de alta resistencia y evaluación del desempeño.

Etapa 2. Tomar como referencia el estudio de opti- mización de fibra, con el fin de trabajar con la mejor alternativa de fibra sintética y alcanzar una alta absorción de energía.

Etapa 3. Prueba piloto y análisis del desempeño del shotcrete en campo. Asimismo se evaluará las ventajas económicas que involucra la propuesta de optimización.

Etapa 4. Implementación.

Desarrollo

Absorción. Es el incremento en la masa de arena debido al agua en los poros del material, pero sin incluir el agua adherida a la superficie exterior de la partícula. Este parámetro es muy importante para el diseño del shotcrete.

Humedad. Determina la cantidad de agua evapora- ble en una muestra de agregado. Es importante para realizar las correcciones por la cantidad de agua en el diseño de shotcrete.

Módulo de fineza. Indica el porcentaje de partículas finas que se tienen en el agregado. El módulo de fineza se calcula sumando los porcentajes retenidos acumulados en los tamices estándar (nombrados más adelante) y dividiendo la suma entre 100. Cambios significativos en la granulometría del agregado tienen una repercusión importante en la demanda de agua y, en consecuencia, en la trabajabilidad y resistencia del shotcrete.

Granulometría de la arena. Este ensayo se realiza para determinar la distribución granulométrica del agregado. En la Figura 1, se puede observar que los ensayos realizados están dentro de las franjas permisibles.

Diseño de shotcrete de alta resistencia a la compresión. El diseño de shotcrete de alta resistencia, toma como base los criterios teóricos de resistencia y capacidad de absorción de energía, detallados en el ítem de sustento teórico. El procedimiento establecido, mantiene el siguiente orden:

ν Definir el Slump de trabajo: para nuestro caso es 10 a 10 1/2 pulgadas, lo que significa que todos los diseños deben llegar a dicho valor.

ν Definir la proporción de relave que reemplazará la arena: la intención de usar relave en el diseño del shotcrete es lograr una mezcla más compacta que permita incrementar el desempeño y la resistencia. Para nuestro caso de estudio, se define dos proporciones porcentuales de agregado/relave: 

Agregado/relave: 90/10 (ver Tablas 2 y 3). 

Agregado/relave: 85/15 (ver Tablas 4 y 5).

ν Realizar el diseño patrón (sin aditivo): esto para determinar la cantidad de agua que ingresa a un diseño de concreto sin aditivo, para luego evaluar el aporte del aditivo (plastificante) en la reducción de agua.

ν Realizar diseños de shotcrete con aditivos (plastificante) en diferentes proporciones: manteniendo la consideración i) se incrementa aditivo (plastificante) y agua hasta lograr la trabajabilidad del material (Slump 11”).

Resistencia de probetas. El seguimiento a la evolu- ción de la resistencia a la compresión permite eva- luar el desempeño del diseño, para ello se realizaron roturas de probetas a edades de 3, 7, 14 y 28 días.

Para la validación de los resultados, los ensayos a 28 días fueron realizados en el Laboratorio de Concreto de la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI).

Análisis de absorción de energía del shotcrete. Siendo el segundo parámetro importante para obtener un shotcrete de alta capacidad de deformación y, por tanto, alta capacidad de absorción de energía, y dado que este parámetro depende de las característi cas y tipo de fibra, para nuestro caso “sintética”, se toma como referencia de análisis el informe presen- tado el 18 de mayo de 2019 “Optimización de fibra para shotcrete”, en el cual se puede observar que la fibra sintética BarChip presenta mayor capacidad de absorción de energía que la fibra Myphor para 4.0Kg/m3 de shotcrete.

Ensayos recientes

Entre julio y agosto de 2021 se realizaron actualizaciones de ensayos a través de la empresa Geomecánica Latina S.A., usando las siguientes metodología:

ν Corte y esmerilado de la base y tope de las muestras, hasta alcanzar la relación de esbel- tez o aproximarla a ella.

ν Aplicación de las normas para ensayos de mecánica de rocas y concreto como las in- dicadas en el ASTM C39/C39M-18.

ν Ensayo de compresión uniaxial: carga de rotura máxima (kN), resistencia a la com- presión uniaxial (MPa) sin corregir y corre- gida, tiempo de ensayo, fotografías del antes y después.

ν Aplicación de las normas para ensayos de mecánica de rocas y concreto como las in- dicadas en el EFNARC 1996.

ν Ensayo de capacidad de absorción de ener- gía: lados (l1, l2, l3, l4) de la losa de shotcrete (mm), espesor promedio (mm), fisura radial (N°), carga (kN), deflexión central (mm), energía absorbida (J), gráfica de carga (kN) vs deflexión central, absorción energía (J) vs deflexión central (mm).

Evidencias. Las evidencias pueden observarse en las Figuras 7 a la 15.

Seguimiento y control de campo. Se realizaron controles e inspecciones de campo con la finalidad de hacer seguimiento al funcionamiento del diseño implementado.

Se ha observado desde julio de 2020 que el shotcrete que se lanzó en labores temporales y permanentes se ha mantenido estable y sin signos de deterioro o craquelamientos que evidencien reducción de la resistencia diseñada.

Esta característica visual del comportamiento del material lanzado no da una información valiosa de la funcionalidad del concreto a través del tiempo.

Estudios mineralógicos

Estudios mineralógicos del relave

Se determinaron las siguientes fases minerales: cuarzo, calcita, limolita, pirita, muscovita, plagioclasas y zircón. La granulometría varía entre 50 y 275 µm, en promedio 130 µm.

Minerales presentes del análisis modal o porcentaje areal: las distribuciones volumétricas son obtenidas en los porcentajes de los minerales presentes, los cuales se proporcionan en el análisis modal (ver Tabla 13).

Estudio mineralógicos material del agregado

Se determinaron las siguientes fases minerales: cuarzo, limonitas, hematita, calcita, muscovita, cloritas, pirita, biotita, epidota, plagioclasas, magnetita, cal- copirita, anfíboles y piróxenos.

Además de líticos ígneos y sedimentarios. Frecuen- temente tanto partículas simples y mixtas presentan impregnaciones de óxidos de hierro (limonita hematita).

La granulometría es bimodal, 86% del material varía entre 85 y 475 µm, en promedio 200 µm; y el 13% del material varía entre 1 y 7 mm, en promedio 2.5 mm.

Minerales presentes del análisis modal o porcentaje areal: las distribuciones volumétricas son obtenidas en los porcentajes de los minerales presentes, los cuales se proporcionan en el análisis modal ver Tabla 14).

Conclusiones y recomendaciones

1. El objetivo principal de este trabajo de inves- tigación es la implementación de un diseño de shotcrete con relave y de alta resistencia que permita mantener la estabilidad de las labores y a la vez mejorar la productividad del ciclo operativo.

2. Se ha determinado en el diseño la cantidad de agregado/relave en la relación de 90/10. Manteniendo la trabajabilidad de la mezcla, así como las propiedades de fundamentales del concreto.

3. Los ensayos de laboratorio tanto en la mina como los externos han dado resultados satisfactorios de resistencia a la compresión y de flexotracción para las condiciones de nuestra en operación minera.

4. Durante el tiempo de investigación y debido a la coyuntura sanitaria se realizaron segui- miento en campo de las zonas donde se habían lanzado el diseño de shotcrete con relave encontrándose el material en buenas condiciones de estabilidad y el shotcrete no presenta craquelamientos ni debilitamientos.

5. A su vez se realizaron ensayos mineralógicos del relave y del agregado, hallándose que en ambos materiales existe un alto porcentaje areal de cuarzo.

6. Luego de estos resultados satisfactorios a ni- vel de laboratorio y de campo estamos elabo- rando un plan de acción para la implementa- ción de este diseño en el ciclo operativo, lo cual implica inversión de equipamiento y personal.

7. Continuaremos con el seguimiento y control de campo para verificar el correcto compor- tamiento del diseño lanzado en nuestras ex- cavaciones, así como los controles con res- pecto a los materiales involucrados en este diseño.

Bibliografía

ACI. 1995. "Specification for Shotcrete".

Bieniawski, Z. T. 1989. “Análisis del tiempo de auto-soporte”.

Bracamonte J., Raúl. 2015. “Manual para el diseño y aplicación del concreto lanzado”.

Geomecánica Latina S.A. 2021. “Análisis Mineralógico de dos muestras de material suelto”.

Geomecánica Latina S.A. 2021. “Reporte de Ensayos de Laboratorio”.

Melbye, Tom. 1994. “Shotcrete para soporte de rocas”.

Universidad Nacional de Ingeniería. 2020. Laboratorio de Materiales Ensayos de resistencia a la compresión.

Vallejo C., Carlos 2017. “Estudio Geomecánico de la veta Pablo”.

Vandewalle, Marc. 2007. “Hormigones Estructurales especiales”.


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