27) Injeção de Consolidação de Calda de Cimento em Barragem


Procedimento Executivo Para


 Injeção de Calda de Cimento Em Barragem




INJEÇÃO DE CALDA DE CIMENTO.



1) INJEÇÃO DE CALDA DE CIMENTO : 

A injeção de calda de cimento não é uma prática comum em obras, devendo ser divulgado para conhecimento e solução de problemas em diversas obras de engenharia, podendo ser utilizada para correção e tratamento de solos e maciços rochosos, recalques diferenciais em fundações, principalmente no intuito de:

· Retirada e redução de vazamento a níveis aceitáveis de barragens de solo, concreto, reduzindo a perda d’água por percolação e vazamento, devido a vício da construção, nestes maciços; 

· Controlar a pressão d’água dentro do maciço da fundação e no contato estrutura – fundação da barragem, deixando a barragem estável; 

· Melhorar a resistência mecânica e as propriedades elásticas das rochas fraturadas; 

· Consolidação de solos moles, melhorando a capacidade de carga e suporte destes tipos de solos; 


A real necessidade ou tratamento final depende de alguns fatores técnicos: 


· Percolação de água em locais onde é necessário a estanqueidade das estruturas; 


Elaboração de ensaio de perda d´água nas paredes da estrutura de adução da 
Usina de Serra da Mesa para definição do tipo de injeção de consolidação e de contato
 em função dos resultados dos ensaios de perda d´água.

· 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 


Injeção de calda de cimento com pressão para a 
colocação de tirantes monobarra para enrijecimento das comportas da Usina de Serra da mesa

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 

b) Injeção de Consolidação 

c) Injeção de Colagem 

d) Injeção de Preenchimento ou Contato

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;


Local da injeção de contato na camara de adução 
do paramento frontal da Usina Hidrelétrica de Serra da Mesa


d) Injeção de Preenchimento ou Contato: Elimina os vazios de estruturas de drenagem e  concretos e é executado com baixas pressões.


Estrutura interna de queda d´água para a casa de força da
Usina Hidrelétrica de Serra da Mesa que foi
executado uma injeção de contato e colagem de 
toda estrutura (cerca de 120,00 m de altura)
injeção de consolidação entre o concreto armado e o maciço rochoso.
O túnel de adução que foi escavado totalmente em rocha e revestido em concreto armado


Foto do acervo pessoal mostrando a execução da injeção de consolidação e contato (colagem) na estrutura do tomada d´água da barragem de Serra da Mesa


Fiscalização da Injeção de consolidação dos condutos forçados em Serra da Mesa


2) 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.


3) EQUIPAMENTO DE INJEÇÃO E SUA ORDEM DE EXECUÇÃO 

a) Misturadores 

b) Agitadores 

c) Bombas 

d) Equipamentos complementares

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.



Agitador de calda e misturados duplo vertical, utilizados para injeção de calda de cimento em barragens


4) INJEÇÃO DE CONSOLIDAÇÃO E IMPERMEABILIZAÇÃO 

As injeções de consolidação são feitas, para garantia da vedação e estanqueidade diminuindo 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.


Perfuratrizes furando os furos primários para injeção de consolidação em uma barragem

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. Este acréscimo proporcional pode ser observado no gráfico abaixo:


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.



5) 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.


6) 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.


7) ADITIVOS E MATÉRIAS USADOS NAS CALDAS 

a) Micro-cimento 

b) Bentonita 

c) Tenso-Ativos 

d) Aceleradores 

e) Expansores 

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.



8) CONSIDERAÇÕES SOBRE INJEÇÃO DE IMPERMEABILIZAÇÃO EM BARRAGENS

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.

A disposição dos furos encontra-se na figura abaixo:



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.


9) 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.  

No gráfico de Resistência X Tempo observa-se o aumento da capacidade de carga.


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.


10) BOLETIM DE INJEÇÃO 

O boletim de injeção registra a vida do furo devendo ser padronizado para todos os furos identificando como o furo foi executado e registrando as pressões nas diversas fases da obra.

 

A proposta para um boletim de injeção bem feito são:

10.1) O CABEÇALHO 

O CABEÇALHO: deve ser preenchido de forma correta, pois são de extrema importância os dados técnicos contidos nele. Para futuras consultas e fiscalizações.



10.2) DENSIDADE REAL DO CIMENTO 


 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.

 

10.3) VOLUME DO CIMENTO 


 VOLUME DO CIMENTO EM LITROS é a QUANTIDADE DE CIMENTO (kg) dividida pela DENSIDADE REAL DO CIMENTO (2º passo)


10.4) FATOR DE CONVERSÃO 

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.



10.5) 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.


10.6) 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.


10.7) TOTAL DA MISTURA POR TRECHO 

Se deve pela soma da CALDA BATIDA e a sobra do furo anterior.



10.8) VOLUME INICIAL NO RECIPIENTE 

 É dado pela diferença entre o TOTAL DA MISTURA e o RETIDO NA TUBULAÇÃO. Isto para cada trecho.


10.9) TRECHO DE INJEÇÃO 

É a CALDA devem ser preenchidos conforme na figura abaixo:


10.10) 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.




10.11) PRESSÃO DE INJEÇÃO POR TRECHO 

É dada por :


Nota: Este Cp (coeficiente de pressão) é obtido juntamente com o cliente/ fiscalização ou projeto.



10.12) RETIDO NO RECIPIENTE 

   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 10.5 e 10.6


10.13) 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:



10.14) REAL INJETADO (LITROS) 

É dado pela diferença entre de outros 2 valores já conhecido O TOTAL DA MISTURA (Item 10.7) e o TOTAL DA SOBRA (Item 10.13) conforme formula abaixo.


10.15) 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 10.4.


10.16) QUANTIDADE DE SÓLIDOS INJETADO 

É dada como a razão entre o REAL INJETADO (KG) ITEM 15 e INTERVALO DO TRECHO de injeção conforme formula abaixo:


10.17) CONTROLE APOS INJEÇÃO 


Após a injeção e preenchido conforme figura abaixo:




10.18) TOTAL DE CALDA BATIDA


se deve pelo somatório do VOLUME DO CIMENTO e o VOLUME D’AGUA. O valor encontrado se aplica no RESUMO:







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