*Por los Ings. Delbono, Héctor Luís y Chappa, Ana Cecilia del Centro de Investigaciones Viales (LEMaC) de la Universidad Tecnológica Nacional Facultad de La Plata (UTN FRLP – CIC PBA). Contacto: delbonoluis@hotmail.com
El informe da a conocer los procedimientos de ensayos normalizados, resultados y conclusiones, necesarios para caracterizar un geotextil en cuanto a sus propiedades hidráulicas dentro de la obra civil.
Introducción
Los geosintéticos tuvieron sus primeras aplicaciones en las obras civiles en los años ´70. Los resultados positivos hicieron que su utilización se extienda a varios campos de la ingeniería civil, se hace hincapié en las funciones hidráulicas que poseen los geosintéticos dentro de la obra civil, específicamente en aquellas donde interviene el pasaje del fluido en varios sentidos como en los casos de drenaje, filtración e impermeabilidad, para las cuales se realizaron los ensayos de permeabilidad normalizados por el Instituto Argentino de Normalización y Certificación (IRAM). Conforme a estos y su implementación en obra obtendremos ciertas conclusiones a exponer.
En el mercado existen números productos geosintéticos que compiten para dar una misma solución hidráulica, algunos de ellos cumpliendo más de una función.
Entre la amplia gama de productos geosintéticos, los geotextiles no tejidos son los más empleados cuando se trata de drenaje, cumpliendo funciones de separación, filtración, conducción hidráulica. Hoy en día, los avances y equipos de ensayo han evolucionado satisfactoriamente logrando caracterizar los materiales bajo las especificaciones exigidas por la Norma.
Estos materiales, son productos elaborados a partir de varios tipos de polímeros, es decir uno de sus componentes es a base de polímeros sintéticos o natural. Comprenden productos manufacturados (geoplásticos), productos que incluyen en su fabricación tecnología textil (geotextiles) y productos formados por ambas tecnologías: textil y plástica.
Estos textiles técnicos son estructuras planas que se presentan en forma de fieltro, manto, lámina o estructura tridimensional; son usados para mejorar y hacer posible la ejecución de ciertos proyectos de construcción utilizadas comúnmente en obras hidráulicas, obras viales, edilicias, sistemas de control de erosión, aplicaciones medioambientales, movimientos de suelos, fundaciones, etc.
Se comercializan en distintos gramajes que van de 150gr, 200gr, 400gr, 600gr, 700gr, entre otros, dependiendo el fabricante pudiendo diseñarse según la función requerida.
Las funciones principales de los geosintéticos son: filtro, separación, refuerzo, impermeabilización (depósitos de líquidos y desechos), drenaje verticales y subterráneos, protección, contención, control de erosión, refuerzo, entre otras. El identificar la función que va a desempeñar el geosintético es uno de los pasos iniciales en un proceso de diseño.
En cuanto a las funciones hidráulicas pueden clasificarse en primera instancia de la siguiente manera:
-Filtrar: circulación de un fluido a través del geosintético.
-Drenar: circulación de un fluido en el plano del geosintético.
-Impermeabilización o barrera: no permitir el paso de sólidos o líquidos a través del geosintético.
Dentro de estas funciones, son varios los geosintéticos aptos para cumplimentarlas. El geotextil por ser un material permeable cumple la función de drenar, filtrar y de barrera. La geomembrana es un material esencialmente impermeable usada como barrera de líquido o vapor. Tanto el Geodren como la Geored funcionan como material drenante. El geocompuesto drenante cuya función principal es drenar en el plano del mismo y el geocompuesto filtrante de protección en taludes y fondo de encauzamientos, dejando una libre circulación de agua y evitando la migración de finos de los taludes y fondos del encauzamiento.
En el Centro de Investigaciones Viales (LEMAC) UTN FRLP – CIC PBA, se desarrollan dos tipos de ensayos en relación con la circulación de fluidos en productos geosintéticos, ellos son “Permeabilidad Planar en productos geosintéticos”, basado en la Norma IRAM 78010, siendo su correspondiente la ASTM D 4716 y “Permeabilidad normal al plano en productos geosintéticos”, mediante la NORMA IRAM 78007, basada en la ISO/DIS 11058, siendo su correspondiente la ASTM D 4491-85.
Para dichos ensayos, en el presente informe, se utilizan geotextiles no tejidos de diferentes gramajes. En el mercado existen geotextiles no tejidos y tejidos (Figura 1):
- El geotextil tejido es producido mediante el entrelazado, generalmente en ángulos rectos, de dos o más juegos de fibras, filamentos, cintas u otros elementos.
- El geotextil no tejido es producido por amarres (mediante fricción y/o cohesión y/o adhesión) de fibras orientadas con una dirección específica o aleatoria.
Descripción y especificación de geotextiles no tejidos: material textil flexible, no tejido, presentado en forma de láminas y constituido exclusivamente por filamentos continuos poliméricos unidos mecánicamente y estabilizados a la acción de la radiación U.V. (VER TABLA 1).
Funciones hidráulicas de los geotextiles
- Filtro: la textura altamente permeable del geotextil permite un rápido pasaje del agua a través de su plano, a la vez que retiene de manera eficaz las partículas (incluso las más finas) del suelo (Figura 2). Este desempeño como filtro se mantiene perdurable durante una vida útil extensa, compatible con la utilidad de la aplicación proyectada.
- Drenaje: actuando como elemento drenante el geotextil permite el libre escurrimiento de líquidos a través de su espesor. El geotextil posee alta conductividad de agua en el plano de la manta, siendo de eficacia comprobada en el caso de drenes o colchones filtrantes (Figura 3).
- Barrera o Impermeabilización: Si bien las geomembranas son las utilizadas para esta función específica, los geotextiles no tejidos impregnados en emulsión asfáltica llegan a cumplir esta función cuando se lo utiliza en la rehabilitación de una carretera con el propósito principal de prevenir la reflexión de fisuras. Al quedar el geotextil embebido en la emulsión asfáltica, en la dotación requerida, se genera un material impermeable que cumple la función de barrera al pasaje del agua superficial a las capas inferiores que componen un pavimento (Figura 4). En este sentido, se cuenta con la Norma IRAM 78027 (2007) que determina el porcentaje óptimo de retención de asfalto por un geotextil empleado en pavimentación.
Luego se tienen los materiales denominados geocompuestos que resultan de una combinación de geotextiles con otro material (Figura 5) que cumplen más de una función a la vez. Esta combinación ofrece un sistema de separación-filtro-drenaje-protección o barrera, completo y eficiente.
Entre ellos encontramos el Geodren (Figura 6), un geocompuesto liviano, resistente y flexible en forma de manta que se presenta como drenaje vertical, ubicado en la interfase suelo/estructura y con un sistema colector drenante. Generalmente, se complementa con un geotextil externo como filtro, por lo que puede considerarse en estos casos como un geocompuesto.
Los drenes verticales deben contar con un núcleo de polietileno flexible a fin de evitar una elevada disminución de su capacidad drenante bajo presión de confinamiento.
Ensayos de permeabilidad de geotextiles
Se presentan dos ensayos normalizados para determinar las características de permeabilidad en materiales geosintéticos.
- Permeabilidad normal al plano en productos geosintéticos (NORMA IRAM 78007, basada en la ISO/DIS 11058, siendo su correspondiente la ASTM D 4491-85).
Este ensayo tiene fundamental importancia en productos que serán utilizados con requerimientos de flujo a través de ellos. Se han utilizado muestras de geotextil no tejido de filamento continuo.
Este tipo de ensayo no proporciona en forma directa el valor de permeabilidad de la muestra, sino que da a conocer rangos de índice de pérdida de carga e índice de velocidad, aptos para establecer el nivel de aceptación o no del material. De esta manera, el control de calidad en los productos queda justificado.
El método consiste en determinar la carga máxima (Hmáx) para el geotextil en estudio, recogiendo el agua durante este período de tiempo tomando un volumen mínimo 1 litro, determinando la velocidad de flujo. Se repite el procedimiento sobre la muestra para cuatro pérdidas de carga hidráulicas de valor 0,8, 0,6, 0,4 y 0,2 veces la pérdida de carga máxima (Hmáx). Para cada una de estas cargas se determina la velocidad del flujo. Esto se repite en 4 muestras mas para obtener un promedio. Estos resultados se grafican para obtener el índice de pérdida de carga e índice de velocidad.
Índice de pérdida de carga: se determina como la perdida de carga correspondiente para una velocidad de 20 mm/s a través de la muestra, redondeada al milímetro.
Índice de velocidad: Velocidad correspondiente a una pérdida de carga de 50 mm a través de la muestra, redondeada al mm/s.
La Norma 78007 plantea dos métodos, carga hidráulica, variable o constante, adaptándose esta última en los ensayos.
En la Tabla 2 se observa el valor promedio de índice de pérdida de carga e índice de velocidad para tres gramajes de geotextil no tejido ensayado de tres diferentes empresas.
La Figura 7 presenta el dispositivo desarrollado y empleado en el LEMaC.
Podemos destacar que en los ensayos para cada gramaje se encontraron resultados dentro de un rango de valores similares.
Este ensayo nos da una noción de la pérdida de agua o pasaje de agua en mm cuando atraviesa el filtro a una cierta velocidad calculada en mm/seg.
De los valores promedios obtenidos se observa que cuando los gramajes de los geotextiles aumentan, hay una tendencia a que la pérdida de carga aumente y la velocidad del flujo disminuya.
- Permeabilidad planar en productos geosintéticos (basado en la Norma IRAM 78010, siendo su correspondiente la ASTM D 4716)
El ensayo de permeabilidad planar tiene fundamentalmente importancia en aquellos productos que serán utilizados en aplicaciones geotécnicas donde se requiera la conducción de agua en su plano. Casos comunes son los geotextiles utilizados en geodrenes los cuales tienen múltiples usos como ser:
- Consolidación profunda de terrenos
- Abatimiento de napa freática
- Alivio de empujes hidrostáticos
La apreciación del ensayo está ligada al comportamiento de la fluencia por compresión a largo plazo, con el fin de evaluar la capacidad de flujo a largo plazo.
El método consiste en obtener tres probetas de la muestra en sentido longitudinal y otras tres en sentido transversal, de manera que midan como mínimo 0,3 m en la dirección longitudinal o de flujo y 0,2 m en la dirección transversal de la máquina.
Resumidamente el procedimiento consiste en:
1 – Se mide el espesor nominal bajo una presión de 2Kpa (IRAM 78004-1).
2 – Se sumergen las probetas 12 horas en agua a temperatura de laboratorio con un tensioactivo (tipo detergente de concentración de 0,1ml/100ml) para eliminar burbujas.
3 – Se aplica sobre la probeta un esfuerzo de 2Kpa y se llena de agua el depósito de entrada para dejarla fluir a través de la probeta, con el fin de eliminar el aire.
4 – Se aumenta el esfuerzo a 20Kpa y se mantiene durante 360 seg.
5 – Se llena el depósito hasta el nivel correspondiente al gradiente hidráulico de 0,1.
6 – Se deja que el agua atraviese la probeta durante 120 seg.
7 – Se recoge el agua que atraviesa la probeta en un tiempo determinado (5 seg. mínimo) y un volumen de agua de 0,5 litros mínimo. Esto para probetas de flujo elevado. Para las de bajo flujo se limita a 600 seg. máximo. Se anota la temperatura del agua. Este procedimiento de realiza dos veces más, es decir, se realizan en total tres lecturas de flujo, tomando el promedio del volumen de agua recogida.
8 – Se aumenta el gradiente hidráulico de 0,1 a 1,0, manteniendo el valor del esfuerzo, repitiéndose el ensayo en forma similar.
9 – Se reduce el gradiente a 0,1, aumentando el esfuerzo normal de compresión a 100Kpa, manteniéndose durante 120 seg. repitiéndose los dos pasos anteriores.
10 – Se continúa así hasta que la probeta haya sido ensayada para cada gradiente hidráulico y cada esfuerzo de compresión.
11 – Se repiten los pasos anteriores para las 4 probetas restantes.
Se calcula la permeabilidad al flujo de agua en el plano a 20ºC mediante:
q (esfuerzo/gradiente) = V x Rt / W x t
Siendo:
q = Permeabilidad en el plano por unidad de ancho a un gradiente y esfuerzo definido en m²/seg.
V = Volumen en m³
Rt = Factor de corrección de temperatura.
W = Ancho de la probeta en metros.
t = Tiempo en segundos.
La Tabla 3 presenta los resultados alcanzados de permeabilidad en sentido longitudinal, mientras que la Tabla 4 los resultados de permeabilidad en sentido transversal al rollo (Figuras 8 y 9).
La mayor conducción de fluido se produce en el sentido longitudinal del rollo, la orientación de las fibras son las que disponen la conducción.
La conducción de agua se reduce con el incremento de carga y se incrementa con el aumento de la carga hidráulica.
Los valores obtenidos en las experiencias realizadas dependen fuertemente de la orientación, gramaje y densidad de fibras que la muestra posee, esto debido al sistema de producción utilizado en la elaboración de estos tipos de productos, mediante incorporación a la máquina de producción de fibras en forma aleatoria.
La Figura 10 presenta el dispositivo del ensayo desarrollado y empleado en el LEMaC.
