INJEÇÃO DE CALDA DE CIMENTO.
A injeção de calda de cimento é uma prática comum em diversas obras de engenharia, é utilizada para correção e tratamento de solos e maciços rochosos, no intuito de:
• Reduzir a perda d’água por percolação;
• Controlar a pressão d’água dentro do maciço da fundação e no contato estrutura – fundação da barragem;
• Melhorar a resistência mecânica e as propriedades elásticas das rochas fraturadas;
• Melhorar a capacidade de suporte dos solos;
A real necessidade ou a finalidade do tratamento depende de alguns fatores:
• Percolação de água em locais onde é necessário a estanqueidade das estruturas;
• Altura do NA (nível d’água) do reservatório;
• Permeabilidade da fundação;
• Importância da perda d’água através da fundação;
• Natureza da rocha e suas fraturas;
• Baixa capacidade de suporte;
• Baixa coesão entre partículas.
• Travamento e/ou fixação de dispositivos de ancoragem
As injeções podem ser efetuadas tanto em rochas quanto em solos, onde o que varia são os métodos de execução; quantidade das linhas de injeção; tipo de obturação; tipo de perfuração; tipos de injeção; pressões utilizadas nas injeções.
As injeções podem ser dividas de acordo com as suas finalidades:
a) Injeção de Impermeabilização: Destina-se a preencher as fissuras e descontinuidades de qualquer tipo de rocha de fundação. Em conseqüência, provocam a perda de carga hidrostática, reduzem a percolação d’água e a subpressão;
b) Injeção de Consolidação: Aumenta a compacidade das rochas, melhorando a sua resistência mecânica e seu modulo de elasticidade. Emprega-se em rochas fraturadas de baixa resistência e refletem na sua impermeabilização;
c) Injeção de Colagem: Aumentam a aderência na interface barragem e fundação contribuindo para redução da permeabilidade pela subpressão;
d) Injeção de Preenchimento ou Contato: Elimina os vazios de estruturas de drenagem e concretos e é executado com baixas pressões.
PROCESSO EXECUTIVO DE INJEÇÃO.
Em geral, a injeção é efetuada através de furos abertos, em sua maioria com equipamento roto-percussivo. Esta perfuração é executada com a circulação de água ou ar comprimido para se evitar a penetração de detritos nos vazios e limpeza do furo. O material escavado na perfuração vai sendo expulso do furo durante o processo de perfuração, por esta circulação de fluídos.
Estes detritos gerados na perfuração poderão causar a colmatação das fraturas, fissuras ou vazios, impedindo a entrada de calda de cimento, por isso devem ser retirados.
Para a execução das injeções é usual fazer uma linha de furos exploratórios. Nestes furos o processo de perfuração é rotativo com extração de testemunho e ensaios de perda d’água para que se conheça o grau de faturamento da rocha; a percolação de água; e estrutura de maciço. Esta análise será repetida após a execução das injeções para analise da eficácia do processo.
EQUIPAMENTO DE INJEÇÃO E SUA ORDEM DE EXECUÇÃO
a) Misturadores: Preparam a calda, em geral de alta rotação para dispersar bem os grânulos de cimento;
b) Agitadores: Mantêm a calda homogênea e impede que a mesma se solidifique antes do tempo adequado;
Nota: Usualmente agitadores e misturadores estão acoplado, formando um só equipamento.
c) Bombas: Injetam a calda de cimento sob pressão. Devem ter capacidade de injetar grandes vazões à pressão bem elevadas;
d) Equipamentos Complementares: Mangueiras; engates rápidos, registros, manômetros, conjunto de hastes e obturador, que descem ao furo para efetuar a injeção em trechos mais profundos.
INJEÇÃO DE CONSOLIDAÇÃO E IMPERMEABILIZAÇÃO
As injeções de consolidação são feitas, para melhorar a capacidade de suporte e diminuir a permeabilidade ao longo de uma área relativamente extensa, porém até uma profundidade relativamente pequena (5 à 10m). Entretanto, como já citado anteriormente, são efetivamente de consolidação quando a finalidade é melhorar a resistência do solo. As injeções deste tipo são freqüentemente efetuadas introduzindo-se calda em diversos furos simultaneamente. Também é comum iniciar por furos mais afastados uns dos outros e apenas numa segunda etapa, se necessário, injetar os furos intermediários.
As injeções de impermeabilização visam criar uma zona menos permeável, relativamente estreita, sub - vertical ou levemente inclinada, disposta como uma continuação das estruturas de impermeabilização da própria barragem. Podem ser constituídas de 1, 2 ou até 3 linhas de furos. É freqüente efetuar uma linha central que vai a maiores profundidades e 2 linhas de furos mais rasos, a montante e jusante.
É importante salientar que a permeabilidade da fundação de um barramento deve ser menor que a do barramento, induzindo as águas de percolação ao sistema de drenagem. No caso de a permeabilidade da fundação ser maior que a do barramento, corre-se o risco do fenômeno de “piping” e liquefação da fundação.
As injeções nos furos podem ser executadas de 2 maneiras: DESCENDENTE ou ASCENDENTE. Método dos estágios ascendentes consiste em abrir o furo de uma só vez em toda sua profundidade e injetá-lo de baixo para cima, em diversos estágios de injeção, que em geral coincidem com a subdivisão das zonas, levando em conta que às vezes uma zona pode ser dividida em mais de um estágio.
No método de estágios descendentes, as operações seguem ordem inversa, abrindo-se o furo somente até o fim da zona mais superficial, injetando-a, reabrindo o furo antes da pega final da calda, perfurando a zona seguinte e repetindo-se o processo até o final do furo.
É importante que a calda seja perfurada antes de atingir uma resistência elevada, pois, caso contra-rio, o furo ira desviar da orientação inicial.
O método ascendente é mais rápido e simples que o descendente. Entretanto o segundo protege melhor a rocha superficial contra excessos de pressão de injeção, sendo assim o mais recomendado para rochas em que a porção superficial é mais fraturada e sensível ao efeito de pressões elevadas.
Analisando o custo, o método ascendente se torna mais viável, pois envolve uma menor quantidade de perfuração.
Exemplificando melhor, a perfuração no trecho de injeção no método ascendente perfuraria somente uma única vez, onde no método descendente o mesmo trecho será perfurado mais vezes.
Deve-se sempre analisar com cuidado o método que mais se adéqüe ao caso da obra, tentando sempre buscar a otimização entre custo e qualidade.
PRESSÃO DE INJEÇÃO
As pressões de injeção constituem um parâmetro controverso e que deve ser bem estudado antes do inicio dos trabalhos, de modo a se obter os melhores resultados pelo menor custo. Uma maior pressão de injeção faz crescer a quantidade de calda injetada e sendo a pressão muito alta, pode determinar a perda de coesão da rocha/solo (craqueamento do solo).
A pressão ideal de injeção, para um determinado maciço rochoso de fundação, é a pressão máxima que não cause movimentação do maciço e, portanto é determinada em função da profundidade da zona injetada, estrutura da rocha, altitude das fraturas e da sobrecarga devida à estrutura e do nível do lençol freático.
As altas pressões geralmente trazem economia aos trabalhos, uma vez que elas tendem a produzir um alargamento nas fissuras e com isso permitem uma penetração melhor até mesmo de calda relativamente grossas e feitas com cimentos comuns. Também ampliam substancialmente a distância de penetração das caldas. Assim, pressões elevadas tendem a aumentar a quantidade de calda que é injetada a partir de um mesmo furo, aumentando seu raio de influência, fazendo com que se possa efetuar o tratamento de modo mais eficiente e com menor numero de perfurações. Como o custo da perfuração constitui, via de regra, a maior parcela no custo total de um trabalho de injeção, o emprego de altas pressões pode diminuir consideravelmente o custo de um tratamento deste tipo além de normalmente melhorar bastante a sua qualidade.
O principal argumento contra pressões muito elevadas é de que as mesmas podem causar danos irreversíveis à rocha como abertura de novas fraturas e até mesmo aberturas de juntas que estavam seladas no caso de rocha de baixa resistência.
Estas pressões são geralmente definidas pelos projetistas ou contratantes conforme estado de confinamento do solo/rocha. No processo de injeção o comportamento das pressões de injeção varia muito e deve ser interpretado:
• Após abertura da manchete e rompimento da bainha (Pa), observa-se uma queda brusca da pressão (Pi), caracterizando o início da injeção do solo.
• À medida que a injeção prossegue novos trechos do solo podem ser rompidos e preenchidos com calda, acarretando um aumento lento e progressivo da pressão. Algumas vezes, é comum observar um ligeiro aumento brusco de pressão, voltando, em seguida, a aumentar lentamente. Este fato é explicado pelo: o aumento repentino da pressão que promove a ruptura de mais um trecho do solo que, em seguida, passa a ser preenchido com calda.
• Se, em determinado momento, a pressão de injeção fica estabilizada, ou até diminui, pode ser que o plano de ruptura tenha interceptado um vazio, que está sendo preenchido com calda. Após esta cavidade ser preenchida, a pressão provavelmente voltará a subir, caracterizando o seu preenchimento.
INJETABILIDADE DE CALDA
A noção de injetabilidade da calda pode ser definida como a capacidade da calda de penetrar no meio a ser injetado, e é dada pela seguinte função:
Injetabilidade = (fluidez, Estabilidade)
Há para cada tipo de calda um melhor trabalho a ser executado, para comparar a injetabilidade de varias caldas, e devido a sua velocidade de escoamento e que é feita através de um funil padrão.
Os Fatores água/cimento ou água/sólidos variam desde 4:1, em calda ralas, ate 0,4:1 em caldas grossas. Caldas muitos ralas são mais fluidas e injetam mais facilmente, porém segregam rapidamente, isto é, as partículas de cimento sedimentam rapidamente, e o produto final após a solidificação é mais fraco e lixiviável. Outro fato importante a se lembrar é que quando uma calda mais rala encontra grandes vazios como fendas e trincas, a sedimentação ira facilitar a evaporação da água, assim tornando ineficiente o processo de injeção, pois restaram vazios no solo/maciço tratado.
Já as caldas grossas são menos fluidas e injetam com mais dificuldade as fissuras finas, porém injetam bem as mais abertas e dão produtos finais mais resistentes, após a pega.
ADITIVOS E MATERIAIS USADOS NAS CALDAS
a) Micro-cimento: Trata-se de um produto cimentício a base de clínquer, micro pulverizado. Onde o diâmetro varia de 20 µm a 30 µm, possibilitando uma alta injetabilidade em micro-fissuras.
b) Bentonita: Utilizada geralmente em porcentagens muito pequenas (2 a 3% em peso dos sólidos) para melhorar a injetabilidade. A Bentonita, sendo uma argila altamente expansiva e tixotrópica, possibilita a diminuição do fator A/C da calda, reduzindo a massa especifica, seu consumo de cimento e fluidez da calda.
c) Tenso-Ativos: Substância que diminuem a tensão superficial e permite a perfeita “molhagem” dos grãos do cimento, melhorando a curva de injetabilidade.
d) Aceleradores: São empregados em injeções de maciços rochosos, quando se desejam obter resistências mecânicas relativamente altas as primeiras idades (economia de tempo). Os aceleradores mais empregados são à base de cloreto de cálcio, carbonetos e hidróxidos alcalinos e trietamolamina.
e) Expansores: aumentam a penetração e a estabilidade das caldas nas fissuras. O expansor mais comum e utilizado nas injeções de calda de cimento é o pó de alumínio.
Alem destes aditivos, são também utilizadas caldas com pozolana oferecendo as vantagens de maiores resistências a dissolução, menor permeabilidade e maior economia, mas com o inconveniente de ligeira diminuição da resistência a compressão.
OBS: é preciso verificar se a calda endurecida nas fissuras não terá menor resistência do que a própria rocha, o que tornaria ineficiente o acréscimo de qualquer aditivo.
CONSIDERAÇÕES SOBRE INJEÇÃO DE IMPERMEABILIZAÇÃO
A seqüência de trabalho nas injeções de impermeabilização em barragens é normalmente executada da linha montante para linha jusante, impedindo o represamento da água. A abertura de novos furos estará sempre condicionada à especificação técnica ou projetista, tendo em vista que os consumos acima do previsto ocorrem uma transformação de calda e/ou abertura de novos furos.
Quanto à profundidade da injeção, a mesma será estabelecida através de critério de permeabilidade encontrado pelos ensaios de perda d’água, onde nas demais linhas, a profundidade é determinada através do acréscimo de um trecho de 3 metros onde o consumo de cimento foi superior a máxima estabelecida (projetista/especificação).
As distancias entre as perfurações variam para cada tipo de solo/rocha a ser tratada, é muito usual no Brasil furos exploratórios a cada 24 metros e subdivisões eqüidistantes com a nomenclatura de ordem primários, secundários, terciários... Já na linha central deve ser para o fechamento/conclusão da cortina, onde em geral são furos rasos e com consumo abaixo do estabelecido caso não ocorra um consumo esperado devera ser aberto furos complementares entre os furos centrais.
O espaçamento mínimo permitido entre furos é 37,5 cm esta é a distancia é a tomada entre os eixos dos furos.
Após a conclusão da injeção de impermeabilização deverão ser executados furos de verificação bem distribuídos em toda cortina onde nos mesmo deveram ser executado Ensaio de Perda D’água para verificar a eficácia impermeabilização.
Todos os furos injetados da cortina deveram ser repreenchido com caldas mais grossas (A/C 0,5:1) após 1 ou 2 dias que foram injetados, para garantir que não existam vazios no corpo do furo, devido à sedimentação, assim podendo proporcionar deficiência na impermeabilização nos furos, esta colmatação deverá ser feita pro gravidade.
CONSIDERAÇÕES SOBRE INJEÇÃO DE CONSOLIDAÇÃO
O procedimento de injeção de consolidação é muito similar ao da injeção por impermeabilização, a diferença entre as duas que a calda de cimento terá objetivos diferentes, a injeção de consolidação tem como foco/objetivo o aumento da capacidade de carga, ou seja, aumento da resistência do solo.
Observa-se que inicialmente o solo/rocha mantém uma capacidade de suporte de carga X, onde o todo o processo de injeção da calda de cimento no “solo/rocha” ira destruir a estrutura original do mesmo para assim ocorrer um aumento desta capacidade de carga. Este aumento de suporte de carga é gradativo com o passar do tempo devendo levar em consideração que primeiro o solo/rocha fica fragilizado onde este enfraquecimento inicial deve ser muito bem estudado para se definir metodologia executiva e para não ocorrer acidentes por recalque acentuado de estrutura ou colapso da fundação
Todas as injeções devem gerar boletins com os resultados que serão analisados por uma equipe técnica onde definirá se os resultados apresentados serão satisfatórios no relatório de conclusão do serviço.
BOLETIM DE INJEÇÃO
Os passos para o preenchimento correto do boletim de injeção são:
1) O CABEÇALHO deve ser preenchido de forma correta, pois são de extrema importância os dados técnicos contidos nele. Para futuras consultas e fiscalizações.
2) Para preenchimento correto do boletim é necessário conseguir juntamente com o laboratório do cliente ou com fiscalização da obra o ( ) que é a densidade real do cimento.
3) VOLUME DO CIMENTO EM LITROS é a QUANTIDADE DE CIMENTO (kg) dividida pela DENSIDADE REAL DO CIMENTO (2º passo)
Obs.: Vc = Volume do cimento (litros)
Pc = Quantidade de Cimento.
4) FATOR DE CONVERSÃO é um valor obtido pela fórmula abaixo para transformação da calda de cimento de litro para Quilo (kg) e de Quilo (kg) para litros.
De Litros para Kgo De Kg para litros
Obs.: Va = Volume d’água (litros);
Pc = Quant. de Cimento (kg);
Vc = Vol. do cimento (litros);
5) VOLUME DA CUBA NO MISTURADOR:
Nota: depois, dividir o volume da cuba (V) encontrada pela altura (h) corresponde à quantidade de litros por centímetro no misturador.
6) RETIDO NA TUBULAÇÃO (RT) é descrito em 5 atividades onde este valor se repetir em todo o processo de injeção daquele furo ou trecho; desde que não se altere a quantidade de mangueira utilizada para o processo.
• Bater traços de calda suficientes para preencher toda tubulação;
• Fechar os registros de injeção na boca do furo;
• Abrir o retorno deixando a calda circular;
• Após a calda preencher toda a tubulação de injeção e retorno, medir quantos centímetros de calda abaixou na cuba
• E multiplicar a quantidade de centímetros encontrada pelo volume (litros por centímetro), determinando assim o retido na tubulação.
7) TOTAL DA MISTURA POR TRECHO se deve pela soma da CALDA BATIDA e a sobra do furo anterior.
Obs.: TM = Total da mistura no trecho (litros);
CB = Calda batida no trecho (litros);
SA = Sobra do trecho anterior (litros);
8) VOLUME INICIAL NO RECIPIENTE é dado pela diferença entre o TOTAL DA MISTURA e o RETIDO NA TUBULAÇÃO. Isto para cada trecho.
Obs.: VIR = Volume Inicial Recipiente (litros);
RT = Retido na tubulação (litros);
TM = Total da mistura no trecho (litros);
9) TRECHO DE INJEÇÃO e a CALDA devem ser preenchidos.
10) PRESSÃO PARA ABERTURA DE MANCHETE é um campo que deve ser preenchido no boletim de injeção somente se a injeção for marchetada (obturador duplo), onde este valor é obtido de forma direta através de leitura manométrica.
11) PRESSÃO DE INJEÇÃO POR TRECHO é dada por:
Obs.: ΔH = Altura média do furo a ser injetado;
Hf = Altura final do furo a ser injetado;
Hi = Altura Inicial do furo a ser injetado;
Obs.: Pit = Pressão de Injeção/ TRECHO;
Cp = Coeficiente de pressão;
Cosα = Cosseno do ângulo de inclinação com a vertical do furo;
Nota: Este Cp (coeficiente de pressão) é obtido juntamente com o cliente/ fiscalização ou projeto.
12) RETIDO NO RECEPIENTE é um valor obtido após a injeção do trecho, onde a sua medição e feita em centímetros e logo após convertido em litros conforme o ITEM 5 e 6
13) TOTAL DA SOBRA é dado pela diferença de 2 valores já conhecidos O RETIDO NA TUBULAÇÃO (Item 6) e o RETIDO NO RECIPIENTE (Item12) conforme Formula abaixo:
Obs.: Ts = Total de Sobra
Rt = Retido na tubulação
Rr = Retido no Recipiente
14) REAL INJETADO (LITROS) é dado pela diferença entre de outros 2 valores já conhecido O TOTAL DA MISTURA (Item 7) e o TOTAL DA SOBRA (Item 13) conforme formula abaixo.
Obs.: Ri(l) = Real Injetado (litros);
TS = Total da Sobra;
TM = Total da Mistura;
15) REAL INJETADO (KG) é dado pela conversão de litros para kilo do valor encontrado no ITEM 14 onde este fator de correção é de acordo com cada tipo de traço que é explicado no ITEM 4.
Ou
Obs.: Ri(l) = Real Injetado (litros);
Ri(Kg) = Real Injetado (Kg);
Fc = Fator de Correção kg/L ou L/Kg;
Nota: A forma utilizada varia de acordo com o fator utilizado no 4º passo
16) QUANTIDADE DE SOLIDOS INJETADO é dada como a razão entre o REAL INJETADO (KG) ITEM 15 e INTERVALO DO TRECHO de injeção conforme formula abaixo:
Obs.: Ri(Kg) = Real Injetado (Kg);
Tsi = Total de Solido Injetado;
17) CONTROLE após a injeção e preenchido conforme figura abaixo:
18) TOTAL DE CALDA BATIDA se deve pelo somatório do VOLUME DO CIMENTO e o VOLUME D’AGUA. O valor encontrado se aplica no RESUMO:
Obs.: Vtc = Volume total de calda (litros);
Va = Total d’água utilizada;
Vc = Cimento utilizado (litros).
