Este documento presenta una introducción a los geosintéticos de arcilla (GCL). Explica la historia, definiciones y clasificaciones de los GCL. También describe sus propiedades físicas y mecánicas, así como métodos de ensayo. Finalmente, cubre el diseño de impermeabilización utilizando GCL como revestimientos simples o como parte de revestimientos compuestos.
2. Contenido
1. Introducción
1.1. Historia
1.2. Definiciones
1.3. Clasificación y procesos de
fabricación
1.4. Funciones y aplicaciones
2. Propiedades y métodos
de ensayo
2.1. Propiedades físicas
2.2. Propiedades mecánicas
2.3. Durabilidad, vida útil y
requisitos de supervivencia
3. Contenido
3. Diseño por impermeabilización
3.1. Revestimiento simple
3.2. Revestimiento compuesto
3.3. Revestimiento como cobertura compuesta
6. 1.1. Historia
• 1980:
• EEUU. Geotextil (portador) + bentonita + geotextil (cubierta) + adhesivo. Contención de
residuos sólidos como respaldo de una geomembrana.
• Alemania. Geotextil + polvo de bentonita + geotextil + agujado.
• Mantas de arcilla, mantas de bentonita, mantas prefabricadas de arcilla bentonita,
barreras de geosintéticos y arcilla.
• Usados como reemplazo de revestimientos de arcilla compactada (CCLs) o
geomembranas.
8. Concepto
Barrera hidráulica
Según ASTM D4439
• Geosintético utilizado como barrera hidráulica que esta constituido por
bentonita u otro material de muy baja permeabilidad, soportada por geotextiles
o geomembranas, todo unido mediante punzonado de agujas, costura o
adhesivos químicos.
1.2. Definiciones
10. 1.3. Clasificación y fabricación
Por el tipo de
material de
confinamiento
Con geotextiles
ubicados encima y
debajo de la capa de
bentonita
Con geomembranas
ubicadas encima y
debajo de la capa de
bentonita
Con geomembrana y/o
geotextil ubicados
encima y/o debajo de
la bentonita
Por la unión entre
sus componentes
No reforzados: unidos
mediante adhesivos
Reforzados: mediante
agujado
13. Proceso de fabricación
• Bentonita de sodio: 3.2 a 6.0 kg/m2
• Espesor: 4 a 6 mm
• Conductividad hidráulica: 1×10-11 a 5×10-11 m/s
• Humedad controlada: 10 a 35%
Presentación
• Ancho: 4.0 a 5.2 m
• Longitud: 30 a 60 m
• Envueltos en rollos cubiertos con plástico
1.3. Clasificación y fabricación
14. Fabricación con agujado o cosido
1.3. Clasificación y fabricación
Geotextil
inferior
Bentonita Bentonita
Geotextil
superior
Agujado o
cosido
Geotextil
inferior
Bentonita
de sodio
Geotextil superior
Agujado
Producto
terminado
15. Fabricación con adhesivo
1.3. Clasificación y fabricación
Geotextil o
geomembrana
inferior
Adhesivo
Adhesivo
Adhesivo
Bentonita
Bentonita
Bentonita
Geotextil o
superior
Calandrado
o calentado
Acabado
18. 1.4. Funciones y aplicaciones
Reemplazan o complementan a geomembranas y CCLs.
• Debajo de geomembranas en revestimientos primarios, secundarios y en cubiertas de
rellenos sanitarios.
• Debajo de sistemas de impermeabilización de pads y pozas de lixiviación.
• Encima de geomembranas como protección de esfuerzos punzonantes de gravas.
• Como parte de CCLs en revestimientos compuestos primarios y secundarios.
• Como revestimiento simple de embalses superficies.
• Como revestimientos de canales y en tratamiento de residuos agrícolas.
21. Tipo de arcilla
• La bentonita de sodio tiene la permeabilidad más baja que cualquier otro suelo.
• También se puede usar bentonita de calcio, que tiene mayor disponibilidad pero mayor
permeabilidad.
• La difracción de rayos x (XRD) es un método para determinar la composición de las arcillas,
aunque es costosa y poco disponible.
• El análisis de luz de metileno es mas barato y sus resultados son menos precisos, aunque
conservadores.
2.1. Propiedades físicas (índice)
22. Espesor
• Su determinación representa un problema para los GCLs.
• No es posible medir el espesor de la bentonita dentro de sus geotextiles o geomembranas
asociados.
• El espesor se tiene que referir al material compuesto, considerando:
• El contenido de humedad de la bentonita, que se puede controlar con muestras secas al horno.
• La variación del espesor del geotextil bajo presión, que se puede controlar especificando una
presión normalizada.
• Variación a lo ancho de la muestra debido al punzonado o cosido.
• El espesor en condiciones secas (índice) es una propiedad para control de calidad de
fabricación, que puede variar entre 4 y 6 mm.
2.1. Propiedades físicas (índice)
23. Masa por unidad de área
• Sigue la ASTM D5993, aunque las condiciones descritas en el espesor también la condicionan.
• Conservar la integridad de la arcilla en las muestras en difícil. Se pueden humedecer los
bordes y descontar luego el agua absorbida.
• También se puede tomar una muestra del ancho del rollo.
• Es más una propiedad para control de calidad de fabricación.
• Es difícil cuantificar la cantidad de bentonita sola.
• La mayoría de GCLs de tener alrededor de 3.7 kg/m2 de bentonita.
• Se deben seguir evaluado mejoras en su determinación.
• Como compuesto puede variar entre 85 a 600 g/m2.
2.1. Propiedades físicas (índice)
24. Coberturas
• Como se ha indicado, geotextiles y/o geomembranas pueden cubrir los GCLs.
• Las propiedades relacionadas son:
• La uniformidad de distribución de la bentonita
• La contención de la bentonita hidratada durante la instalación y operación
• La resistencia al corte del GCL en sus superficies interna y externa.
• La resistencia a la perforación
• La permeabilidad entre planos y en el solapamiento
• Las propiedades originales de los geosintéticos de cobertura podrían cambiar debido al
proceso de fabricación del GCL. Si se requieren medir las propiedades de estas coberturas,
deberá hacerse en los materiales originales antes del proceso de fabricación del GCL.
2.1. Propiedades físicas (índice)
25. Contenido de humedad
• La bentonita es un material altamente hidrofílico.
• El contenido de humedad al salir de la fábrica puede ser hasta del 10%, o 15% si se considera
el adhesivo de fabricación.
• Se mide según ASTM D5993, como la cantidad de humedad entre el peso seco de la muestra.
• Si se pierde un alto contenido de humedad en el campo, el GCL se encogerá y perderá parte
de su traslape.
• Por lo tanto se debe considerar una mayor superposición en los GCLs.
2.1. Propiedades físicas (índice)
27. Resistencia a la tensión de muestra ancha
• Se determina de acuerdo a la ASTM D6768.
• Se recomienda hacer el ensayo en estado seco.
• La resistencia resultante será prácticamente la de los geosintéticos de cobertura.
• También debe cuidarse la pérdida de bentonita y protegerse los bordes de la muestra.
2.2. Propiedades mecánicas
Bentonita entre un geotextil agujado y un geotextil tejido
tipo cinta + geotextil agujado
Bentonita entre un geotextil tejido tipo cinta y un
geotextil agujado
28. Resistencia a la tensión de muestra ancha confinada
• El resultado de resistencia a la tensión con esfuerzos confinantes se presenta en las figuras
anteriores.
• Se observa que para una cobertura con geotextiles tejidos, el efecto del confinamiento es
mínimo, y el ensayo a la tensión no confinada es representativo. También es similar en caso
de geomembranas.
• Sin embargo, para una cobertura solo con geotextiles agujados, el efecto del
confinamiento es medible, y el ensayo con confinamiento será requerido.
2.2. Propiedades mecánicas
29. Resistencia a la tensión multiaxial
• Se ensaya en forma similar al ensayo a tensión multiaxial que para geomembranas.
• Una geomembrana LLDPE se coloca debajo del GCL en el dispositivo de prueba y se ensaya
hasta la falla.
• Se evalúan los esfuerzos de la geomembrana LLDPE por separado y del LLDPE con el GCL.
Es resultado se expresa en porcentaje o eficiencia.
• Los resultados indican que para GCLs relacionados con geotextiles el esfuerzo multiaxial
esta entre el 10 y 19% con respecto a la geomembrana LLDPE, y entre 15 y 22% en GCLs
relacionados con geomembranas.
σ =
(L2 + 4δ2)2p
16δL2t
, para todo δ
ε =
tan–1 4Lδ
L2−4δ2
L2 + 4δ2
4δ
– L
L
, para δ < L/2
2.2. Propiedades mecánicas
30. Resistencia al corte
• Los GCLs tiene tres diferentes interfaces: la
resistencia al corte interno, es decir, dentro
de la bentonita y las resistencias al corte de
la parte externa de las coberturas superior e
inferior con el material correspondiente.
• Se han realizado ensayos según ASTM D6243
en condiciones secas, hidratación con cero
esfuerzo normal e hidratación con esfuerzo
normal.
2.2. Propiedades mecánicas
31. Resistencia al corte
• Los GCLs fueron mas resistentes en condiciones secas y mas débiles con cero esfuerzo
normal.
• El tipo de líquido afecta en menor grado que otros factores, el agua destilada representa la
peor condición.
• Los GCLs fabricados por agujado, entre dos geotextiles requieren mayores desplazamientos
que los no reforzados para alcanzar su limite de resistencia cortante.
• Los GCLs fabricados por agujado incrementan significativamente su resistencia al corte bajo
todas las condiciones.
2.2. Propiedades mecánicas
32. Resistencia al pelado (peel)
• Se analiza con ASTM D6496, la resistencia al pelado entre los geotextiles superior e inferior
del GCL.
• En esta prueba, los geotextiles son sujetados y sometidos a tracciones en direcciones
opuestas, hasta que las capas se separan.
• En la falla, el esfuerzo máximo promedio es el resultado en kN/m.
• Se considera una prueba índice.
2.2. Propiedades mecánicas
33. Propiedades y métodos de
ensayo
2.3. Durabilidad, vida útil y
requisitos de supervivencia
34. Durabilidad
• Congelación - deshielo
• Encogimiento - hinchado
• Adsorción
• Tiempo de salida del agua
• Tiempo de salida de la solución
• Intercambio iónico
• Durabilidad del geotextil
2.3. Durabilidad, vida útil y requisitos de supervivencia
37. 3.1. Revestimiento simple
• Se refiere a que es el único geosintético de revestimiento e impermeabilización.
• Aplicaciones principales:
• Para rehabilitar canales antiguos: se vacía, reconforma, se coloca GCL sobre la subrasante.
• Contención secundaria en tanques de almacenamiento
• Procedimiento:
• Calcular la tasa de flujo a través del GCL comparativamente a materiales alternativos.
• Calcular la resistencia cortante para los taludes, para las condiciones internas y de interfase.
• Evitar los riesgos de punzonamiento, desgarre, y pérdida de bentonita.
• Prever una cuidadosa instalación para la sobrevivencia del GCL.
38. 3.1. Revestimiento simple
Ejemplo
Calcular la tasa de flujo de agua en un GCL dentro de un canal de 4 metros de profundidad si la
permeabilidad del GCL es 5×10–11 m/s y tiene 5 mm de espesor.
Comparar este valor con un CCL (compacted clay liner) que tiene 450 mm de espesor y una
permeabilidad de 1×10–9 m/s.
Solución
a. Aplicando Darcy en el GCL:
q = kiA = (5×10–11)(4.005/0.005)(1)(1) = 40.1×10–9 m3/s
b. Aplicando Darcy en el CCL:
q = kiA = (1×10–9)(4.450/0.450)(1)(1) = 9.9×10–9 m3/s
40. 3.2. Revestimiento compuesto
• Los GCLs son usados con bastante éxito como el componente inferior en un revestimiento
compuesto para rellenos y reservorios superficiales, teniendo a la geomembrana como
componente superior.
• La reducción en las tasas de filtración en revestimientos con geomembrana/GCL, respecto a
la geomembrana sola o al compuesto geomembrana/CCL, es remarcable.
• Los diseños más seguros contemplan el uso de compuestos geomembrana/GCL/CCL.
• En un revestimiento compuesto geomembrana/GCL, el geotextil superior de cobertura del
GCL es controversial: el problema consiste en asegurar el contacto íntimo.
• El problema en esta situación es la disminución de la resistencia cortante de la interfase
entre el fondo de la geomembrana y la superficie superior del GCL.
• Por ello cuando el GCL se coloca en taludes relativamente empinados, el geotextil superior
deberá ser un no tejido agujado.
• La masa por unidad de área debe ser tal que el geotextil deberá ser lo suficientemente
grueso como para evitar la extrusión de la bentonita hidratada y suficientemente delgado
para que el flujo del líquido a través del mismo no sea un problema.
41. 3.2. Revestimiento compuesto
• Los tópicos generales envueltos en el diseño de un revestimiento compuesto GM/GCL son los
siguientes:
• Calcular la tasa de flujo a través del revestimiento compuesto.
• Verificar la resistencia de corte interno y de interfase para los taludes y las bermas intermedias en
condiciones de carga de corto y largo plazo.
• Considerar la resistencia de muestra ancha de diseño del GCL y la reacción de la trinchera de
anclaje. Si el ángulo de fricción de interfase debajo del GCL es más bajo que el de encima y
también más bajo que el ángulo del talud, la diferencia debe ser tomada por el GCL en tensión.
• Evitar el punzonamiento, el desgarre y la pérdida de bentonita dentro del sistema de detección de
fugas. Tanto las condiciones estáticas como dinámicas deben ser analizadas.
• Evitar la migración lateral y la pérdida del espesor de la bentonita hidratada bajo cargas estáticas
de largo plazo.
• Evitar la contaminación de las uniones de la geomembrana suprayacente debido a la pérdida de
bentonita. Este es un problema, particularmente con las geomembranas texturadas.
• Considerar la supervivencia para la instalación del GCL.
42. 3.2. Revestimiento compuesto
Ejemplo
Calcular la filtración desde un agujero en la geomembrana sobre un GCL. Esto es, ¿cuál es la
tasa de flujo a través de un agujero circular de 2 mm en una geomembrana colocada sobre un
GCL de 10 mm de espesor que tiene una permeabilidad de 7×10–12 m/s? El revestimiento
compuesto se encuentra bajo una carga total de líquido de 300 mm.
Solución
Asumiendo flujo radial a través del GCL, la ecuación de la tasa de filtración estimada es:
q = πks(hw + t)d / (1 - 0.5d/t), donde d es el diámetro del agujero
q = π(7×10–12)(0.30 + 0.01)(0.002) / (1 - 0.5(0.002)/(0.01)) = 1.5×10-14 m3/s
Lixiviado
GCL
Geomembrana
44. 3.3. Revestimiento como cobertura compuesta
• De la misma manera como son usados para revestimiento debajo de desechos sólidos, se puede
usar un compuesto de geomembrana/GCL como cobertura sobre tales desechos.
• La diferencia fundamental entre estas aplicaciones es que en el caso de las coberturas, es
altamente probable la existencia de asentamientos diferenciales.
• Calcular la tasa de flujo del compuesto de cobertura, para agua.
• Verificar las resistencias interna y de interfase de los taludes bajo condiciones de corto y largo plazo,
incluyendo cargas vivas.
• Verificar la resistencia de diseño del GCL y el FS. Si el ángulo de fricción de la interfase debajo del GCL es
más bajo que el de encima y también más bajo que el ángulo del talud, la diferencia debe ser tomada por
el GCL en tensión.
• Controlar los esfuerzos de tensión en el GCL a través de las trincheras de anclaje o, si existe simetría en la
cobertura, a través de las reacciones iguales y opuestas a ambos lados de la cresta.
• Evaluar la retención de la baja permeabilidad del GCL en el supuesto de una deformación fuera del plano
debido a subsidencias en el desecho sólido.
• Evitar el punzonamiento, desgarre y pérdida de bentonita.
• Evitar la contaminación de las costuras de la geomembrana debido a la pérdida de bentonita. Este es un
problema particularmente con las geomembranas texturadas.
• Considerar la sobrevivencia del GCL durante la instalación.
45. 3.2. Revestimiento compuesto
Ejemplo
Para una deformación fuera del plano, calcular la deformación a la tensión aproximada en el
GCL y en la geomembrana. ¿Cuál es el factor de seguridad de cada material, si el GCL pierde su
integridad como barrera hidráulica a 14% de deformación y la geomembrana es VFPE?
Solución
La forma deflectada es usada para calcular la deformación:
ε =
tan–1 4Lδ
L2−4δ2
L2 + 4δ2
4δ
– L
L
, para δ < L/2
ε =
tan–1 4(2)(0.45)
(2)2−4(0.45)2
(2)2 + 4(0.45)2
4(0.45)
– 2
2
= 0.13 = 13%
Para el GCL, FS = 14% / 13% = 1.1 (Cumple)
Para la geomembrana, FS = 100% / 13% = 7.7 (Cumple)
