Las soluciones de intervención en un edificio con fallos en la cimentación son muchas y muy variadas, pero todas ellas se concretan en tres clases fundamentales, que son:
- Intervenciones para el tratamiento y mejora del terreno afectado por los elementos de cimentación.
- Recalces o intervenciones sobre los elementos de cimentación.
- Intervenciones sobre las superestructuras.
Las intervenciones sobre el terreno, obviamente con la finalidad de mejorarlo, pueden ser las más adecuadas cuando éste se encuentre en estado flojo, con muchos huecos y con una baja capacidad portante, o bien cuando haya que reducir su permeabilidad porque contenga una cantidad de agua tan notable que las excavaciones resulten muy difíciles o muy incómodas.
En estas intervenciones no se actúa sobre los elementos de cimentación, sino solamente sobre el terreno afectado por ellos. Las técnicas más utilizadas en edificación son:
- Las inyecciones.
- El “jet-grouting”.
Los recalces o intervenciones sobre los elementos de cimentación resultan adecuados en dos casos: primero, cuando, considerados como un elemento constructivo más, los cimientos presenten insuficiencias o deficiencias intrínsecas que pongan en peligro parcial o totalmente su integridad o su estabilidad; y segundo, cuando se vayan a realizar obras por debajo de las superestructuras o muy cerca de la base de las mismas, de manera que resulte presumible que estos elementos vean alteradas sus condiciones de equilibrio iniciales.
Ejemplo de aparición de grietas por problemas de cimentación
El grupo Uretek ha desarrollado una tecnología innovadora para la consolidación de suelos a través de la inyección en el terreno, Uretek Deep Injections®, de resina de poliuretano expansivo Geoplus®, que viene aplicando con éxito desde hace más de 30 años.
Se trata de un sistema de inyección profunda en el terreno de una resina de poliuretano expansivo especial de última generación, Uretek Geoplus®, marca registrada por Uretek, que se obtiene a partir de una mezcla de dos componentes, esencialmente polioles e isocianatos, denominados comercialmente como Geoplus® A y Geoplus® B.
Las resinas de poliuretano expansivo se producen por la reacción exotérmica entre un poliol y un isocianato, mezclados en proporciones volumétricas establecidas, de acuerdo con las especificaciones del fabricante.
La reacción química para la síntesis de poliuretanos fue descubierta por Bayer en 1947.
Durante la reacción química se genera una gran cantidad de dióxido de carbono, lo que provoca la expansión volumétrica de la mezcla y la formación de una estructura esponjosa, en la que están atrapadas las burbujas de gas. Para la producción de dióxido de carbono se requiere la presencia de agua, que reacciona con el grupo isocianato; en ausencia de agua, se hace uso de un líquido agente de hinchamiento, químicamente inerte y con una temperatura de ebullición baja, que se vaporiza consumiendo parte del calor de polimerización.
En un período de tiempo muy limitado (varios segundos), la mezcla se endurece, pasando de líquido a sólido. El tiempo de reacción, que depende de la resina particular y el uso de catalizadores, entre otras cosas, está influenciado por la temperatura de los componentes mezclados.
Controlando la temperatura de los componentes es, por lo tanto, posible acelerar o retardar el tiempo de reacción.
La presión ejercida durante el hinchamiento y la densidad final de la resina depende de la capacidad expansión que posee el gas contenido en las burbujas, antes del endurecimiento.
Resina Uretek Geoplus en proceso de expansión
La tecnología Uretek Deep Injections® permite inyectar en el terreno la resina de poliuretano expansivo Geoplus® a diferentes profundidades, a través de perforaciones de pequeño diámetro, causando la mínima alteración a las estructuras y al terreno suprayacente, resolviendo cualquier problema relacionado con la capacidad de carga del terreno bajo cimentación.
Esta tecnología se basa en la realización de perforaciones de diámetro inferior a 30 mm (normalmente entre 12 y 26 mm), separadas entre 50 y 150 cm. En estas perforaciones se introducen tubos metálicos, hasta las profundidades establecidas, para la posterior inyección en el terreno, a través de estos, de la resina de poliuretano expansivo.
Fase de ejecución Uretek Deep Injections® - perforación
Fase de ejecución Uretek Deep Injections® - introducción de los tubos de inyección
La inyección la realiza un equipo de técnicos especialistas, que se complementa con un camión taller que contiene todo el material necesario para la intervención. Dependiendo del tipo de intervención y accesibilidad a la obra, el camión taller puede disponerse en varios tamaños y, en casos especiales, se puede llevar el equipo de inyección y la resina con trasportes especiales.
Dentro del camión taller se encuentran, además de otros equipos y sistemas de control, los depósitos de los dos componentes químicos, Geoplus® A y Geoplus® B, necesarios para la formación de la resina.
La inyección es controlada siguiendo el protocolo específico de Uretek. Los dos puntos básicos de este protocolo de inyección son, la cabeza de inyección de la resina, y el nivel laser que controla el levantamiento de la estructura.
Fase de ejecución Uretek Deep Injections® - inyección de la resina
Fase de ejecución Uretek Deep Injections® - monitorización
Los dos componentes de la resina llegan hasta la “cabeza de inyección” por tuberías independientes.
La mezcla de los dos componentes y la inyección de la misma en el terreno tiene lugar, solamente, al accionar el mando que se halla en la empuñadura de “pistola” en la cabeza de inyección, con un tiempo de reacción que van desde unos pocos segundos a unos pocos minutos. No se necesita ningún mecanismo de reglaje de la velocidad del bombeo ya que la expansión en el punto de inyección no tiene lugar por efecto de la presión de inyección sino por la fuerza de expansión de la resina mezclada.
La inyección se realiza a través de los tubos metálicos (acero o cobre), conectados sin válvula a la cabeza de inyección con empuñadura de pistola, colocados en las perforaciones realizadas a distintas profundidades.
Para evitar el rebose de la mezcla de resina, se inyecta una pequeña cantidad antes del comienzo del tratamiento definitivo con el fin de sellar el área circundante al tubo de inyección.
Pasados unos instantes se empieza con el proceso de inyección. Accionando la empuñadura de “pistola” sobre la cabeza de inyección la mezcla de resina se inyecta, a baja presión, a través del tubo metálico hasta el punto de inyección.
La resina se inyecta en el suelo en estado líquido. Casi instantáneamente, se desencadena una reacción química que implica un aumento del volumen y una modificación del estado, pasando de líquido a sólido. La presión de expansión de la resina puede alcanzar 10.000 kPa. La reacción comienza y finaliza muy rápidamente. Así, la resina alcanza sus características físico-químicas definitivas en algunos segundos.
Cuando la resina penetra en el terreno a tratar aumentando de volumen, comprime el suelo en todas las direcciones, expansión radial, favorecido por las vías que ofrecen menor resistencia. La expansión de la resina continúa hasta que el terreno impide una compresión radial suplementaria. En ese momento, la única posibilidad de expansión se traduce en un desplazamiento del terreno hacia arriba.
La inyección continúa en cada punto hasta la observación de un principio de levantamiento de la estructura.
Cuando se observe este principio de levantamiento, significa que la acción consolidante se está dirigiendo hacia arriba y que esta es la dirección que opone menor resistencia, mientras alrededor el terreno tiene resistencias superiores respecto a la disminución de carga de la estructura, lo que demuestra que el suelo de cimentación ha sido suficientemente compactado para resistir, no solamente al aumento de cargas estáticas, sino también a las que se desarrollan con el levantamiento.
La consolidación del suelo de cimentación va acompañada de un levantamiento inicial de la estructura (décimas de mm), lo que permite comprobar, en tiempo real, la eficacia del método.
Durante las operaciones de inyección, el consumo de mezcla se mide en cada punto de inyección y se compara con el consumo nominal del proyecto.
Cada intervención se controla con un nivel láser con el fin de detectar cualquier movimiento vertical de la estructura tratada, siendo este la única forma posible de comprobar en tiempo real la eficacia del tratamiento de consolidación del suelo.
La interpretación teórica del procedimiento de inyección profunda en el terreno, Uretek Deep Injections®, de la resina de poliuretano expansivo Geoplus®, se puede esquematizar como dos muelles que interactúan entre sí, el muelle «resina» y el muelle «terreno»: “A la salida del tubo de inyección el muelle «resina» está completamente contraído. La expansión de la resina se produce en detrimento del terreno inyectado, muelle «terreno».
El sistema estará en equilibrio cuando el muelle «resina» haya alcanzado un grado de expansión tal que la fuerza generada que resulte de ello sea igual a la reacción opuesta del terreno comprimido, muelle «terreno». En este punto el sistema «resina/terreno» se encuentra en equilibrio estable debido al cambio de estado de la resina que se solidifica.
La resistencia ofrecida por la resina solidificada es muy superior a la resistencia del terreno comprimido, por lo tanto, el sistema permanece estable en el tiempo. La operación descrita antes se produce en cada punto de inyección, y se disipa en la masa del terreno tratado. Por consiguiente, las sobrepresiones intersticiales se disipan con mucha rapidez”.
La inyección se ejecuta mientras la resina se encuentra todavía en estado líquido, pero ya en fase de expansión. Esta resina posee las siguientes características:
- Fuerza de expansión máxima de 10.000 kPa
- Reacción estable y controlada
- Módulo elástico similar al de los suelos
- Ligera, no recarga el terreno
- Resistencia a compresión muy superior a lo necesario
Tras la reacción química, la resina transmite al terreno una acción de pre-compresión, que induce una disminución de índice de huecos. En pocos instantes aumenta hasta 10-15 veces su propio volumen, desarrollando una presión máxima de hasta 10.000 kPa.
La fuerza de expansión generada por la reacción química disminuye con el aumento del grado de expansión de la resina. Esto significa que el grado de expansión se “autorregula” en función del confinamiento y de la resistencia encontrada.
La rapidez de la reacción de expansión y solidificación no deja que la resina se aleje más de 1-2 metros del punto de inyección. La expansión de la resina continúa hasta que el terreno circundante a la inyección se compacta en todas las direcciones, de tal forma que rechaza cualquier compresión posterior, motivando que la resina se expanda hacia la zona menos comprimida del terreno que, normalmente, es hacia la superficie del terreno “dirección vertical ascendente”.
En la figura 6, se representa un esquema de intervención con la tecnología Uretek Deep Injections® Sistema Multipoint y las fases de inyección de un suelo bajo una cimentación superficial aislada (zapata), así como la distribución del estado de las tensiones bajo la cimentación.
Esquema de ejemplo de intervención con Multipoint
(Patente Europea EP 3 821 079 B1)
La resina sale a la vez desde todos los orificios situados en la cánula de inyección (12-14 orificios por cánula).
La disposición de los orificios, calibrados y de tamaño creciente con la profundidad, ha sido diseñada de tal forma que garantice:
- Un tratamiento homogéneo: la capacidad de la resina que sale es similar en todos los orificios.
- Una acción localizada: las inyecciones se realizan de forma intermitente, de este modo la resina permanece cerca de cada punto de inyección.
- La seguridad de las inyecciones: la resina sale de todos los orificios a la vez, con la misma capacidad y con una presión suficiente para vencer a la resistencia del terreno y evitar que ningún orificio se tape durante la inyección.
En esta intervención, la inyección se concentra en el bulbo de Boussinesq. Es decir en el volumen de terreno expuesto a las tensiones inducidas por la distribución de carga del edificio. Generalmente es la baja resistencia de este volumen lo que causa los asientos de las estructuras.
Se puede concluir que la tecnología Uretek Deep Injections® se diferencia de demás técnicas de inyección por:
- El uso de una resina Geoplus®, de alto poder expansivo (más de 5 veces su volumen original) y rápido (inicio de expansión de 2 a 5 segundos).
- La fuerte presión de hinchamiento de la resina Geoplus® durante el proceso de expansión en el suelo (superior a 500 kPa).
- Una sencilla puesta en obra, utilizando un material muy ligero, permitiendo una ejecución “cuasi” no destructiva.
- La inyección de la resina en profundidad (que puede superar los 10,0 metros con respecto a la plataforma de trabajo).
- El control de la expansión de la resina a través del control de movimientos con nivel láser.
- Una forma única de propagación de la resina que se inyecta, ya sea por impregnación (macro huecos y grietas), o por fracturación/rotura, o por una combinación de estos dos modos de difusión, sumando además la acción de compactación estática tridimensional.
La tecnología Uretek Deep Injections® cumple con la norma EN 12715, ejecución de “Obras geotécnicas especiales”, en lo referente a la inyección con o sin desplazamiento de terreno, y está protegida por la patente europea EPO Nº 0851064. La resina Geoplus® está protegida por la solicitud de patente europea EPO Nº 1314824.