Materiales de Barrera/Revestimiento para Botaderos

Los tipos de materiales de barrera/revestimiento hidráulico considerados en este resumen son GMs (geomembranas), CCL (revestimiento de arcilla compactada) y GCL (revestimiento geosintético de arcilla).

Figura N°  1. Sistema de contención de residuos sólidos idealizado (con énfasis en utilización de material geosintético) para un relleno de residuos sólidos. Fuente: USEPA, 2002.

Figura N°  1. Sistema de contención de residuos sólidos idealizado (con énfasis en utilización de material geosintético) para un relleno de residuos sólidos. Fuente: USEPA, 2002.

 

1.    Revestimiento de arcilla compactada (CCL, por sus siglas en inglés)

CCLs son primariamente construidos de materiales de suelo natural que son ricos en arcilla natural, a pesar de que el CCL puede contener arcilla natural procesada tal como la bentonita. Los CCLs son construidos en capas llamadas sustentos que típicamente tienen un grosor después de la compactación de 0.15m. En taludes igual o más planos que alrededor de 3 horizontal: 1 vertical (3H:1V) los soportes son ubicados paralelos a la pendiente. Sin embargo, los soportes paralelos son muy difíciles o imposibles de construir en taludes más pronunciadas que 2.5H:1V. En taludes más pronunciadas, los CCLs son construidos usando soporte horizontal.
Para CCLs que tienen una conductividad hidráulica saturada de no más de 1 x 10-7 cm/s, es recomendado que el material del CCL tenga las siguientes características:

  • Porcentajes mínimo de finos:    desde 30 a 50%
  • Índice de plasticidad mínimo:    desde 7 a 15%
  • Porcentaje máximo de grava:    desde 20 a 50%
  • Tamaño mínimo de partícula:    desde 25 a 50 mm (menos para un soporte ubicado en contacto directo con un CCL)

El porcentaje de finos es definido como el porcentaje por peso en seco de partículas pasando el Tamiz N° 200, el cual tienen 0.074 mm de ancho de abertura cuadrada. El porcentaje de finos es típicamente determinado por el ASTM D422. El índice plástico, el cual es definido como el límite líquido menos el límite plástico, puede ser determinado por peso seco retenido en un tamiz N° 4 (abertura de 4.76 mm de ancho). La experiencia local puede dictar requerimientos más exigentes y, para algunos suelos, criterios más restrictivos pueden ser apropiados. Sin embargo, si los criterios tabulados arriba no son alcanzados, es improbable que un revestimiento de suelo de material natural será adecuado sin aditivos tales como la bentonita.
Los CCLs tienen que ser dúctiles, particularmente cuando son usados en sistemas de cobertura final (para acomodar posibles sedimentaciones diferenciales), y tienen que ser resistentes al crackeo por variaciones de humedad, p. ejm., disecación. Las mezclas de arcilla-arena son materiales ideales si la resistencia a la contracción y crackeo inducido por disecación son importantes (Daniel & Wu, 1993). La ductilidad es alcanzada evitando el uso de suelos secos y densos que tienden a ser frágiles.
Algunas de las características significativas de los CCLs son: (1) precisión de la evaluación de conductividad hidráulica en campo usando ensayos de laboratorio en pequeñas muestras no disturbadas del CCL construido; (2) el criterio de compactación para alcanzar la conductividad hidráulica del CCL requerida; y (3) el rendimiento hidráulico de largo plazo de CCL en sistemas de cobertura final.

 

2.    Geomembranas (GMs)

GMs son delgadas, fabricadas con materiales poliméricos que son ampliamente usados como barreras hidráulicas en revestimientos y sistemas de cobertura debido a su estructura no porosa, flexibilidad, y facilidad de instalación. Las GMs tienen la ventaja de poseer tasas extremadamente bajas de permeabilidad de gas y agua a través de las GMs intactas y, dependiendo del material, la habilidad para estirarse y deformar sin desgarrarse. Estos también protegen los CCLs subyacentes de la desecación. Las desventajas de las GMs incluyen la lixiviación a través de imperfecciones ocasionales en la geomembrana, relativo potencial de alta difusión  por ciertos líquidos orgánicos concentrados, y material que se fragiliza en el tiempo.
Las geomembranas son un componente esencial de la mayoría de capas de barrera/revestimiento. De las GMs poliméricas de fábrica que están comercialmente disponibles, los tipos más comunes son:

  •  HDPE, VFPE (Polietileno muy flexible, que incluye LLDPE, LDLPE, y VLDPE), Cloruro de Polivinilo (PVC), Polipropileno flexible (fPP), y monómero de etileno propileno dieno (EPDM).

Las GMs son a menudo usadas como barrera de gas y líquidos, ambos en sistemas de revestimiento y de cobertura final. Los mecanismos para transferencia de masa gas o líquido a través de una GM intacta es el de difusión molecular. Las tasas de transmisión de vapor de agua para varias GMs basado en el ensayo desarrollado de acuerdo con ASTM E96 son las siguientes:

  • Para HDPE de 1 mm de grosor: La tasa de transmisión de vapor de agua ˜ 0.020 g/m2/día;
  • Para PVC de 0.75 mm de grosor: La tasa de transmisión de vapor de agua ˜ 1.8 g/m2/día
  • Para HDPE de 1 mm de grosor: La tasa de transmisión de vapor de solvente ˜ 0.20 a 20 g/m2/día

Nota que 1 g/m2/día ˜ 10 L/ha/día; por lo que la tasa para difusión de agua es extremadamente baja. En contraste, la tasa de difusión para algunos químicos, particularmente ciertos compuestos orgánicos volátiles (VOCs) pueden ser muy altas.
Un segundo mecanismo para transporte de líquidos a través de GMs, es el flujo a través de huecos en la GM causados por perforaciones, desgarros, costuras defectuosas, etc. La tasa de flujo a través de un hueco de GM de un tamaño dado es dependiente de la presión hidráulica actuando en el tope del hueco, la permeabilidad del suelo que subyace la GM, y otros factores.

 

3.    Revestimiento Geosintético de Arcilla (GCL)

Los GCLs consisten de rollos fabricados de bentonita ubicada entre geotextiles (GTs) o limitado a una GM. La bentonita es el componente de baja conductividad hidráulica (o permeabilidad) del material compuesto. Los geosintéticos son tejidos, punzonados, o adhesivamente enlazados a la bentonita para crear productos auto-contenidos adecuados para manipuleo, transporte, y ubicación como material barrera. La estructura fibrosa de  los materiales punzonados y cosidos también resulta en esfuerzo cortante interno incrementado para el uso de GCLs in taludes.
La bentonita es el componente crítico de los GCLs y genera la muy baja conductividad hidráulica (permeabilidad) del material. La bentonita es un mineral de arcilla que ocurre naturalmente y es extremadamente hidrofílico. Cuando es ubicado en la vecindad del agua (o aun vapor de agua), la bentonita atrae las moléculas de agua dentro de una configuración compleja que deja pocos espacios de agua libre en los huecos. Esto desciende significativamente la conductividad hidráulica de la bentonita. La conductividad hidráulica de la mayoría de GCLs de bentonita de sodio está entre 1 x 10-9 a 5 x 10-9 cm/s. (Estornell and Daniel, 1992)

 

4.    Revestimientos compuestos

Mientras que alguno de los tres materiales de revestimiento descritos (CCL, GM, y GCL) pueden ser usados como un material de barrera por sí mismo, esta es la combinación de dos o más de los componentes que ha probado ser más efectivo en términos de contención de líquidos y gases. En cada caso de un revestimiento compuesto, la GM forma el componente superior, con el suelo o GCL siendo el componente inferior. Desde la experiencia práctica, la mayoría de revestimientos compuestos caen dentro de las siguientes categorías:

?    GM sobre CCL (GM/CCL);
?    GM sobre GCL (GM/GCL); ó
?    GM sobre GCL sobre CCL (GM/GCL/CCL).

En todos los casos, la premisa básica de usar un revestimiento compuesto es que la lixiviación a través de un hueco o defecto en la GM es impedido por la presencia del CCL o GCL. La Figura N°2 ilustra la descripción.
En un revestimiento compuesto, la lixiviación solo ocurrirá en la ubicación del hueco de la GM, pero será mucho menor que el flujo a través de un orificio debido al impedimento hidráulico proveído por el CCl o el GCL. El nivel de impedimento hidráulico proveído por el CCL o el GCL es una función de la conductividad hidráulica del material, y la cantidad de flujo lateral en la interface entre la GM y CCL o GCL. La cantidad de flujo en la interface es una función de la “intimidad” del contacto entre la GM y los componentes de CCL o GCL (Giroud & Bonaparte, 1989; Gross et al., 1990). Las investigaciones teóricas y estudios de campo han mostrado que la lixiviación a través de revestimientos compuestos es mucho menor que la lixiviación a través de las GMs solas o los revestimientos de suelo solos (Bonaparte & Othman, 1995). Debido a sus capacidades de rendimiento superior, en comparación a las GMs, CCLs, o GCLs solos, los revestimientos compuestos han sido incorporados dentro de los requerimientos mínimos tanto para rellenos de RSM y rellenos de residuos peligrosos, y su uso se ha incrementado en una amplia variedad de aplicaciones de sistemas de contención de residuos.

Figura N°  2. Concepto de Minimización de flujo por revestimiento compuesto.
 
 

Figura N°  2. Concepto de Minimización de flujo por revestimiento compuesto. (a)    Flujo a través del área entera del CCL o GCL

Figura N°  2. Concepto de Minimización de flujo por revestimiento compuesto.

(a)    Flujo a través del área entera del CCL o GCL

(b)    Flujo a través del CCL desde un hueco en la GM

(b)    Flujo a través del CCL desde un hueco en la GM

(c)    Flujo a través del GCL desde un hueco en la GM

(c)    Flujo a través del GCL desde un hueco en la GM

 

Referencias

  • ASTM D422 - Test Method for Particle-Size Analysis of Soils.
  • ASTM E96 - Test Methods for Water Vapor Transmission of Materials.
  • Bonaparte, R. and Othman, M. A. (1995), "Characteristics of Modern MSW Landfill Performance," Geotechnical News, Vol. 13, No. 1, pp. 25-30.
  • Daniel, D. E. and Wu, Y. K. (1993), "Compacted Clay Liners and Covers for Arid Sites," Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 119, No. 2, pp. 223-227.
  • Estornell, P. M. and Daniel, D. E. (1992), "Hydraulic Conductivity of Three Geosynthetic Clay Liners," Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 118, No. 10, pp. 1592-1606.
  • Giroud, J. P. and Bonaparte, R. (1989), "Leakage Through Liners Constructed with Geomembranes. Part II: Composite Liners," Geotextiles and Geomembranes, Vol. 8, No. 2, pp. 77-111.
  • Gross, B. A., Bonaparte, R. and Giroud, J. P. (1990), "Evaluation of Flow from Landfill Leakage Detection Layers," Proceedings of the 4th International Conference on Geotextiles and Geomembranes and Related Products, The Hague, Netherlands, May 28 - June 1, 1990, pp. 481-486.
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Posted on July 14, 2014 and filed under Medio ambiente, Calidad de agua, Minería.