Citado como: Bonaparte, R., Koerner, R.M., and Daniel, D.E., Assessment and Recommendations for Improving the Performance of Waste Containment Systems, research report published by the U.S. Environmental Protection Agency, National Risk Management Research Laboratory, EPA/600/R-02/099, December 2002.
El presente es una revisión del informe emitido por el Laboratorio Nacional de Investigación en Gestión del Riesgo de la Agencia (NRMRL) para la Protección Ambiental de Estados Unidos. La revisión es realizada por GIDAHATARI, no pretende ser una revisión exhaustiva de los principios, métodos, y resultados; más bien pretendemos presentar tan valiosa información de manera que despierte el interés de nuestros lectores y motive la investigación y recopilación de este tipo de información que se encuentra al alcance de todos.
La investigación realizada por el NRMRL, y que se presenta en el informe revisado, se basa en la evaluación de los sistemas de cobertura y revestimiento naturales y sintéticos aplicados en rellenos sanitarios de residuos domésticos, industriales y/o peligrosos.
Figura 1. Modelo general de un Relleno sanitario
Generalidades
Propósito
Asistir a la comunidad de usuarios y vincular a los investigadores con sus clientes.
Imagen 1. Fotografía de diferentes sistemas de cobertura de suelos estudiados.
Problemas atendidos en el reporte
- Problemas relacionados al diseño, construcción, y rendimiento de sistemas de contención de residuos usados en rellenos,
- embalses de superficie, y en pilas de residuos, y
- en la remediación de lugares contaminados.
Investigadores principales en función de su trabajo
- Geosintéticos: profesor Robert M. Koerner, P. E.
- Suelos naturales: profesor David E. Daniel, P. E.
- Rendimiento en campo: Dr. Rudolph Bonaparte, P. E.
Figura 2. Ejemplo de Sistemas de Revestimiento para Rellenos Sanitarios
Figura 3. Ejemplos de sistemas de cobertura final para Rellenos Sanitarios
Evaluación en Geosintéticos
Los problemas técnicos que se evaluaron en relación al uso de materiales en sistemas de contención de residuos, son:
- Protección de geomembranas (GMs) con geotextiles (GTs) no tejidos punzonados para evitar la perforación,
- Comportamiento de ondas en geomembranas de polietileno de alta densidad (HDPE GMs) sujetas a tensión por sobrecargas,
- Comportamiento de tuberías de plástico a deformación producto de la tensión originada por sobrecarga, y
- Predicción del tiempo de vida de GTs y GMs.
Imagen 2. Fotografías de operaciones de instalación de geosintéticos.
Conceptos
Concepto de Minimización de Flujo en Revestimiento Compuesto
a. Flujo a través del área completa del CCL (revestimiento de arcilla compactada) o GCL (revestimiento geosintético de arcilla)
Figura 4. Esquema representativo del concepto de minimización de flujo según revestimiento.
b. Flujo a través del CCL solo desde un hueco en GM.
c. Flujo a través del GCL solo desde un hueco en GM.
Envejecimiento y comportamiento de degradación de HDPE (y otras poliolefinas) en el tiempo bajo elevadas temperaturas de incubación
Figura 5. Etapas de degradación de HDPE GM por contacto con lixiviación.
Sección Transversal típica para ensayos de ploteo 3H:1V
Figura 6. Esquema de cobertura de talud para evaluación de deslizamiento de cobertura.
Resistencia al corte
a. Criterio clásico de Envolvente de falla Mohr – Coulomb para la resistencia de corte
Gráfica 1. Comportamiento de resistencia al corte según la envolvente de falla Mohr - Coulomb.
b. Envolvente de falla curvado Mohr - Coulomb
Gráfica 2. Comportamiento de resistencia al corte según la envolvente de falla curvada de Mohr - Coulomb.
Herramientas de ensayo y evaluación
Equipo para ensayos de evaluación de perforación de GMs
Figura 7. Esquema de vaso de presión y cono truncado utilizado para evaluar la perforación en GMs por protrusión.
Equipo para ensayos de evaluación del efecto de ondas en GMs
Figura 8. Esquema de caja de ensayo experimental para estudio del efecto de ondas en el rendimiento de GMs
Fórmula del estado de Iowa
Utilizada en el diseño de tuberías plásticas (p. ej., cálculo de deflexión de tubería). La fórmula fue originalmente desarrollada en 1941, ver Spangler (1971). La fórmula toma una de las dos formas siguientes:
ó
- Δ = Cambio en el diámetro de la tubería, en metros (Δ es usado intercambiablemente en diseño para las deflexiones horizontales y verticales, Δx y Δy respectivamente tal como ASTM D2412; en la derivación de la fórmula, Δ es la deflexión horizontal y se asume que la tubería desviada toma una forma elíptica);
- DL = Factor de retraso de deflexión (adimensional);
- K = constante de lecho (adimensional);
- W = carga por unidad de longitud de tubería (kN/m);
- Ws = carga por unidad de área (kPa);
- R = radio medio de tubería (m);
- D = diámetro medio de tubería (m);
- Δ/D = relación de deflexión (adimensional);
- E = módulo de elasticidad del material de la tubería (kPa);
- I = momento de inercia de la pared de la tubería por unidad de longitud (m4/m); y
- E’ = módulo de reacción del suelo (kPa)
Equipo para incubación de GMs y evaluación de rendimiento bajo carga hidráulica
Figura 9. Esquema típico de una columna de compresión para ensayos de incubación.
Sensores de desplazamiento adjuntos al GCL
Figura 9. Esquema típico de una columna de compresión para ensayos de incubación.
Resultados
Gráfica 3. Presión de falla vs masa por unidad de área para GTs no tejidos punzonados a diferentes alturas de cono (CH). Los datos incluidos tanto para GTs de PET de filamento continuo (sin círculo) y de PP de fibra estable (en círculo).
Gráfica 4. Resultados del perfilado de tres ensayos preliminares en diferentes tamaños de ondas en HDPE GMs de 1.5 mm de grosor sujetas a presión vertical creciente.
Ht. : Altura de onda
H/W : Relación Onda/Altura
Gráfica 5. Relación entre tasa de deflexión y rigidez de la tubería para varios módulos de reacción de suelo usando la fórmula del estado de Iowa.
Gráfica 6. Relación entre tensión por sobrecarga y cambio horizontal y vertical en diámetro, usando el Método de Elementos Finitos
a. Módulo de corto plazo de la tubería = 750000 kPa
b. Módulo de largo plazo de la tubería = 150000kPa
Gráfica 7. Gráficos de Resistencia retenida en geotextiles incubados bajo tres diferentes condiciones de ensayo.
Gráfica 8. Comportamiento de hilados de PP GT después de incubación en aire caliente forzado
Gráfica 9. Resultados de ensayo de Tiempo de Inducción oxidativa estándar para series de incubación en HDPE GMs
Gráfica 10. Desplazamiento de Geocompuesto medido al pie de la pendiente
Conclusiones de Evaluación en Geosintéticos
Se concluyó lo siguiente:
- Los GTs no tejidos punzonados pueden proveer protección adecuada de GMs contra la perforación por suelos granulares adyacentes,
- Las ondas inducidas por temperatura (arrugas) en GMs no desaparecen cuando la GM es sometida a tensión por sobrecarga,
- Las ondas pueden inducir tensión residual significativa en las GMs en orden de 1 a 22 % del esfuerzo de fluencia de la GM,
- Para evitar las ondas se puede usar las GMs ligeramente coloreadas, las GMs pueden ser cubiertas con un GT ligeramente coloreado, y el relleno debería evitar las horas de sol fuertes,
- Es razonable aplicar modelamiento de elementos finitos a la deflexión de una tubería por sobrecarga,
- Los PP GTs son más susceptibles a degradarse por luz UV que los PE GTs, y los GTs más ligeros se degradan más rápido que los GTs más pesados,
- Los GTs parcialmente degradados por luz UV no continúan degradándose al ser enterrados
- Las GMs enterradas tienen un tiempo de servicio de por lo menos cientos de años, y las 3 etapas de degradación rigen este tiempo de servicio tal como se especifica: Reducción de antioxidantes (≈ 200 años), inducción (≈ 20 años), vida media (degradación al 50%) de las propiedades ingenieriles (≈ 750 años).
- En pendientes, la resistencia al corte en la interfase es más baja que la resistencia al corte interna de GCLs reforzados internamente,
- La interface entre el GT y otro componente adyacente en un GCL debe siempre ser evaluada, por ser un aspecto crítico en la estabilidad,
- Los GTs tejidos ofrecen menor resistencia al corte en la interfase con una HDPE GM texturada en un GCL, que los GTs no tejidos,
- Si la bentonita en un sandwich con dos GMs, tiene acceso a agua, el agua puede esparcirse lateralmente en un área amplia a través de las arrugas u ondas,
- Si la bentonita en un sandwich con dos GMs, no tiene acceso a agua, la bentonita no se hidratará,
- Las actuales prácticas de diseño de ingeniería predicen correctamente la estabilidad o deslizamiento de GCLs en pendientes,
- Los sistemas de cobertura de rellenos con pendientes tan altas como 2H:1V pueden ser muy empinados y no ser estables por la resistencia al corte en la interfase de los geosintéticos actuales,
Evaluación de Rendimiento en Campo – CCLs
Los problemas técnicos que se evaluaron en relación al rendimiento en campo de CCLs, son:
- Rendimiento en campo de revestimientos arcillas compactadas (CCLs),
- Ensamblaje y Análisis de CCL compuesto por una mezcla de suelo - bentonita,
- Colección y evaluación de casos de rendimiento en campo de CCL en ensayos de cobertura final.
Conceptos
Conductividad hidráulica aceptable
Gráfica 11. Procedimiento recomendado para determinar la zona de compactación aceptable para baja conductividad hidráulica
(A) Suelo compactado sobre el rango de la energía compactiva; (B) Especímenes compactados permeados; (C) Determinar la densidad de la zona de contenido de agua aceptable; and (D) modificar la zona aceptable para contabilizar otros factores tales como resistencia al corte.
Resultados
Gráfica 12. Histograma de conductividades hidráulicas de campo para CCLs construídos con materiales de arcilla natural
Gráfica 13. Relación de conductividad hidráulica de campo a conductividad hidráulica medida en laboratorio (klab/kcampo) vs conductividad hidráulica de campo para revestimientos de arcilla construidos con material de arcilla natural
Gráfica 14. Conductividad hidráulica en campo vs Porcentaje de compactación
Gráfica 15. Conductividad hidráulica de campo vs. grado de saturación al momento de compactación de un CCL
Gráfica 16. Conductividad hidráulica de campo vs. grosor de revestimiento de arcilla
Conclusiones de Rendimiento en Campo
Se concluyó lo siguiente:
- Solo el 25 % de 89 CCLs de suelos naturales fallaron en alcanzar una conductividad hidráulica a gran escala de 1 × 10-7 cm/s o menos,
- Los CCLs compuestos por una mezcla de suelo – bentonita alcanzaron una conductividad hidráulica a gran escala de menos de 1 × 10-7 cm/s, debiendo contener más de 6 % de bentonita,
- El problema más común para alcanzar un bajo nivel de conductividad hidráulica en CCLs fue la falla al compactar el suelo en la zona de humedad y la densidad seca que podrían conducir a baja conductividad hidráulica,
- El parámetro de control más significativo de CCLs fue el porcentaje de puntos de densidad (de contenido de agua medido en campo), alcanzando una conductividad hidráulica de campo deseada cuando el porcentaje es de 80 – 100 %. El contenido de agua óptimo es definido en el estudio,
- No se encuentra correlación entre la conductividad hidráulica medida en campo y los parámetros de caracterización de suelo usualmente medidos, lo que indica que los CCLs pueden ser construidos con un amplio rango de variedades de suelos,
- La conductividad hidráulica disminuyó con el incremento del grosor de los CCLs, hasta un grosor de 1 m., y
- El análisis de CCLs construidos en secciones de ensayo de cobertura final generalmente mostraron que los CCLs ubicados sin una cubierta de GM tienen a disecarse y perder su baja conductividad hidráulica dentro de unos pocos años.
Evaluación de Rendimiento en Campo – Revestimientos Primarios y Lixiviación
Los problemas técnicos que se evaluaron en relación al rendimiento en campo de revestimientos primarios y la lixiviación que puede generarse son:
- Rendimiento en campo de revestimientos primarios en rellenos,
- Tasas de generación de lixiviación, y
- Química de la lixiviación.
Imagen 3. Fotografía de lixiviación generada en un cúmulo de residuos domésticos.
Concepto
Fuentes de Flujo desde Sistemas de detección de lixiviados
Figura 11. Esquema representativo de puntos de fuga (flujo de lixiviados) en un sistema de disposición de residuos
Resultados
Gráfica 17. Tasas de flujo promedio en sistemas de colección y remoción de fugas después del cierre, en 11 celdas de residuos sólidos municipales (MSW) y 22 celdas de residuos sólidos industriales (HW)
Conclusiones de Rendimiento en Campo
Se concluyó lo siguiente:
- Los promedios mensuales de flujo de fugas para revestimientos primarios de HDPE GM serán a menudo menores que 50 lphd, pero ocasionalmente en excesos de 200 lphd; estos flujos son atribuibles a fugas en el revestimiento o agua en la construcción.
- Los promedios mensuales de flujo de fugas para revestimientos primarios de GM/GCL, a menudo serán menos que 2 lphd, pero ocasionalmente en excesos de 10 lphd.
- Los datos disponibles sugieren que las tasas de flujo mensual promedio atribuibles a fugas a través de revestimientos primarios de GM/CCL y GM/GCL/CCL son probablemente similares a los de revestimiento primario de GM/GCL).
- Los revestimientos de GMs pueden alcanzar verdadera eficiencia hidráulica en el rango de 90 – 99 %, siendo posible alcanzar mayores eficiencias.
- Los revestimientos compuestos de GM/GCL, GM/CCL, y GM/GCL/CCL pueden alcanzar eficiencia hidráulica de 99 % a más de 99.9 %.
- Las GMs no deberían ser usadas solas en aplicaciones donde una eficiencia hidráulica sobre el 90 % tiene que ser confiablemente alcanzada.
- Los revestimientos compuestos de GM/CCL y GM/GCL/CCL son capaces de prevenir sustancialmente la migración de lixiviado sobre el periodo completo de generación significativa de lixiviado para escenarios típicos de operación de rellenos.
- Las tasas de flujo en el sistema de colección y remoción de lixiviados (LCRS) fueron más altas al inicio de las operaciones de las celdas y disminuyó a medida que el grosor de los residuos incrementó y fueron aplicadas coberturas diarias e intermedias a los residuos; las tasas de generación de lixiviados disminuyó en promedio por un factor de 4 dentro de un año después del cierre, y por un orden de magnitud 2 a 4 años después del cierre; dentro de 9 años del cierre, las tasas de generación de lixiviados fueron despreciables para las celdas de relleno evaluadas.
- Las celdas de residuos sólidos municipales (RSM) produjeron, en promedio, menos lixiviado que las de residuos sólidos industriales (RSI) y residuo´s sólidos peligrosos (RSP); las diferencias en las tasas de generación de lixiviado son una función del tipo de residuo, ubicación geográfica, y prácticas operacionales.
- En general, los rellenos de RSI produjeron los lixiviados más fuertes y los rellenos de cenizas de carbón produjeron los lixiviados más débiles; los lixiviados de cenizas de RSM fueron más mineralizados que los lixiviados de RSM y otros lixiviados de RSI.
