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26 al 28 de Noviembre de 2014

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Evaluación de la resistencia a la fricción en la interfaz de geomembranas, para su uso en depósitos de relaves

Angela Menz (1); Gonzalo Jara (2); Ornella Vacca (3);

(1) Ingeniero de Proyectos, Golder Associates S.A. (2) Gerente de Proyectos, Golder Associates S.A. (3) Directora de Proyectos, Golder Associates S.A.

[email protected]; Magdalena 181, Las Condes, Santiago

Resumen

El uso de geomembranas en el diseño de depósitos de relaves tiene variadas aplicaciones como son: control de filtraciones que se generan a través de la base del muro, reducción de pérdidas de agua de drenaje y revestimiento de piscinas de recuperación de agua. En el mercado existe una gran variedad de geomembranas que son empleadas para estos fines. Para propósitos de diseño, es necesario conocer las propiedades de cada una de ellas y la resistencia a la fricción en la interfaz que se desarrolla en el contacto con suelos, material de drenaje y relaves. Este artículo presenta los resultados de un programa de ensayos realizado para evaluar la resistencia en la interfaz entre distintos tipos de geomembranas y materiales como suelo, material de drenaje y relaves, para un rango de esfuerzos verticales entre 50 a 3.000 kPa. Además, al final de cada ensayo se ha realizado una completa descripción visual, determinación del espesor y resistencia a la rotura de cada geomembrana ensayada. Las geomembranas usadas han correspondido a una geomembrana de HDPE (espesor 1,5 mm) y tres tipos de geomembranas bituminosas (Coletanche SC1, ES1, ES3). Palabras‐Clave: geomembranas bituminosas, resistencia a la fricción

Abstract

The use of Geomembranes in tailings storage facilities has many applications such as providing seepage control through dam and reducing drainage water losses or for pond lining. There is a wide variety of geomembrane liners available on the market today; so for design purposes it becomes necessary to know the properties of each of them and the friction resistance developed at the contact with soil, tailings and drainage material. This paper presents the results of a laboratory test program of a specific Project, conducted in order to evaluate the interface resistance between different types of geomembranes and materials such as soil, drainage material and tailings, under vertical stresses between 50 and 3.000 kPa. Additionally, visual assessment of each liner sample after shear tests was carried out and thickness and tensile properties evaluated. The geomembrane types evaluated are a smooth 1,5 mm HDPE geomembrane and three kinds of bituminous geomembrane (Coletanche SC1, ES1 and ES3). Keywords: bituminous geomembrane, friction resistance


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1 Introducción

En la actualidad, diversos tipos de geomembranas están disponibles en el mercado para su uso en el control de filtraciones y reducción de pérdidas de agua en los tranques de relaves. Considerando estas aplicaciones, la evaluación de la integridad de distintos tipos de geomembranas en la interacción con materiales de distintas características geotécnicas, como pueden ser suelo de fundación, material de drenaje, arena de relaves y lamas, tiene gran importancia en el diseño de depósito de relaves.

En la literatura es posible encontrar valores recomendados de ángulo de fricción en la interfaz suelo ‐ geomembranas de polietileno y de PVC, sin embargo es escasa la información relativa a geomembranas de tipo bituminosa. Los valores recomendados por diversos autores ([1], [2], [3]) están en un rango entre 17° y 30° para geomembranas de polietileno de alta densidad (HDPE), y entre 21° y 30° para geomembranas de PVC.

Con el propósito de evaluar la aplicabilidad de geomembranas bituminosas en el diseño de un tranque de relaves con un muro proyectado de aproximadamente 200 m de altura, se llevó a cabo un programa de 11 series de ensayos de Corte Directo con distintas configuraciones suelo – geomembrana, y esfuerzos verticales comprendidos entre 50 y 3.000 kPa. Se evaluó la resistencia a la fricción en las distintas interfaces, y, posteriormente, la variación de las características físicas (espesor e integridad) y mecánicas (propiedades a la tracción) de las geomembranas tras ser sometidas a altos niveles de carga.

El programa de ensayos consideró la evaluación de 3 geomembranas bituminosas tipo Coletanche (referencia proveedor SC1, ES1, ES3) y los resultados fueron comparados con las características de una geomembrana de HDPE lisa. El presente artículo detalla los principales resultados obtenidos en este estudio.

2 Materiales utilizados

Propiedades de las geomembranas ensayadas

Las geomembranas tipo Coletanche están compuestas por un geotextil no tejido impregnado de betún elastómero, con acabado de arena en una de sus caras (200 g/m2) y provista de un film anti perforación en la cara opuesta. Se diferencian por espesor, resistencia a la tracción y elongación a la rotura. Para efectos del estudio llevado a cabo, estas geomembranas fueron ensayadas sin el film anti perforación.

La geomembrana de HDPE corresponde a una geomembrana flexible, compuesta aproximadamente por un 97,5% de polietileno, de superficie lisa y 1,5 mm de espesor.

La Tabla 1 presenta las principales propiedades de las geomembranas utilizadas, correspondientes a espesor y resistencia a la tracción en el sentido longitudinal (dirección de la máquina de fabricación), basados en datos de cada proveedor.


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Tabla 1 – Propiedades de las geomembranas utilizadas en el estudio

Tipos de Geomembrana / Propiedades

Geomembrana Bituminosa SC1

Geomembrana Bituminosa ES1

Geomembrana Bituminosa ES3

Geomembrana lisa de HDPE

Espesor (mm) 2,2 3,5 4,8 1,5

Resistencia a la tracción (kN/m) 25 22 33 40

Elongación (%) 40 60 60 700

Referencia: fichas técnicas de Proveedor Axter / Coletanche (geomembranas bituminosas) y GSE Environmental (geomembrana HDPE).

Propiedades geotécnicas de los suelos y relaves ensayados

Se ensayaron distintos tipos de materiales, con el propósito de representar las características geotécnicas de: material a ser usado como suelo de fundación; material de drenaje; arena de relaves; y lamas. La caracterización geotécnica incluyó ensayos de clasificación USCS, peso específico de los sólidos y ensayos de compactación.

Para el suelo de fundación, se ensayaron dos tipos de materiales representativos del área de estudio, identificados como ‘S1’ y ‘S2’. El material ‘S1’ corresponde a una arena limosa pobremente graduada con presencia de grava (SP ‐SM), con contenido de finos no plásticos de 9,7%; y el material ‘S2’ corresponde a arena limosa (SM), con 23,4% de finos no plásticos.

Para representar a un material que cumpliera las funciones de dren, se utilizaron agregados manufacturados limpios con cantos angulares, cuyas envolventes granulométricas estuvieron definidas por las dimensiones de la caja de corte directo, que para este estudio correspondieron a cajas de dimensiones 15x15 cm y 30x30 cm.

La arena de relaves corresponde a una arena limosa (SM) con 17% de finos no plásticos. Por último, para representar a las lamas se ensayó un material correspondiente a arcillas inorgánicas de baja plasticidad, clasificadas como CL.

En la Tabla 2 se presenta un resumen con las principales propiedades geotécnicas de los materiales ensayados y en la Fig. 1 se muestran las curvas de distribución granulométrica de los materiales ensayados, correspondientes a los suelos de fundación ‘S1’ y ‘S2’, y arena de relaves, más la envolvente del material de drenaje.

Tabla 2 – Propiedades geotécnicas de los materiales ensayados

Material % finos IP Clasificación USCS d max (kN/m3) opt (%)

Suelo de fundación ‘S1’ 9,7 NP SP‐SM 21,0(A) 6,0

Suelo de fundación ‘S2’ 23,4 NP SM 14,4(A) 12,2

Material de drenaje (15x15) 0 NP SP / SW (*) ‐

Material de drenaje (30x30) 0 NP GW / SW (*) ‐

Arena de relaves 17 NP SM 17,5(B) 15,7

Lamas >50 >7 CL 20,2(A) 10,0 (A) D.M.C.S. según Ensayo Proctor Modificado. (B) D.M.C.S. según Ensayo Proctor Estándar. (*) Sin información de ensayos de Densidad Relativa.


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Fig. 1 – Curvas y bandas granulometricas de los materiales ensayados

3 Programa de ensayos y características de las interfaces

El programa de ensayos de resistencia al corte se realizó con el propósito de determinar el comportamiento en la interfaz suelo – geomembrana, para un rango de esfuerzos verticales entre 50 y 3.000 kPa. Los ensayos realizados consistieron en:

Ensayos en cajas de corte directo para determinar la resistencia a la fricción entre los distintos materiales y geomembrana, según norma ASTM D5321 [4];

Observación visual y verificación de la integridad de la geomembrana, posterior al ensayo de corte directo;

Determinación de espesor, según norma ASTM D5199 [5], y de propiedades de tracción, según norma ASTM D7275 [6], para evaluar las características mecánicas post ensayo de los diferentes tipos de geomembrana.

Para evaluar la resistencia a la fricción de una geomembrana bajo el muro y el sistema de drenaje, sólo se consideraron muestras de geomembrana bituminosa (SC1, ES1 y ES3), debido a sus características conocidas de fricción y alta resistencia al punzonamiento. Para simular esta situación se ensayaron las interfaces geomembranas ‐ arena de relaves y geomembrana ‐ material de drenaje, ambas montadas sobre suelo de fundación.

Para evaluar la condición del revestimiento del talud aguas arriba de un muro y cubeta, se compararon muestras de geomembrana bituminosa SC1 y de HDPE, en su interacción con suelo natural y lamas.

Las muestras de geomembrana fueron fijadas a la mitad inferior de la caja de corte directo con el sentido longitudinal en la dirección del corte. La fuerza de corte fue aplicada a la mitad superior de la caja. En el caso de las muestras de geomembrana bituminosa, éstas fueron montadas con el


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acabado de arena en contacto con el material de la caja superior (interfaz donde se mide el ángulo de fricción) y la cara opuesta contra el material de soporte.

Las muestras de suelo de fundación, material de dren y relaves fueron remoldeadas al interior de las cajas de corte directo, de la siguiente manera:

Las muestras de suelo ‘S1’ se remoldearon a una D.M.C.S. de 20,0 kN/m3 con un contenido de humedad de 6,0% (correspondiente al ~ 95% de la DMCS Proctor Modificado);

Las muestras del suelo ‘S2’ se compactaron a una densidad aproximada de 13,3 kN/m3 con un contenido de humedad del 12,5% (~ 92% DMCS Proctor Modificado);

El suelo clasificado como ‘CL’ se compactó a una densidad de 19,2 kN/m3 con un contenido de humedad del 10% (~ 95% DMCS Proctor Modificado);

Las muestras de arena de relaves se compactaron a una densidad aproximada de 14,5 kN/m3 con un contenido de humedad de 8,4% (~ 83% DMCS Proctor estándar).

El material de drenaje se compactó en la caja de corte directo a una DMCS de aproximadamente 18,1 kN/m3 con un contenido de humedad de 1,5%.

En las Tabla 3 a Tabla 6 se muestra la configuración de montaje para cada tipo de geomembrana y

los esfuerzos verticales (v) utilizados en cada serie de ensayos.

Tabla 3 – Ensayos geomembrana bituminosa SC1

Ensayo #1 #2 #3 #4

Dimensiones caja de corte directo

30 cm x 30 cm 15 cm x 15 cm 15 cm x 15 cm 15 cm x 15 cm

Caja superior Suelo ‘S1’ Arena de relaves Arena de relaves Material de drenaje Geomembrana SC1 SC1 SC1 SC1 Caja inferior Suelo CL Suelo ‘S2’ Suelo ‘S1’ Suelo ‘S1’ Esfuerzo vertical (kPa)

200, 400, 600, 785

50, 100, 250

800, 1.600, 2.400, 3.140

800, 1.600, 2.400, 3.140

Tabla 4 – Ensayos geomembrana bituminosa ES1

Ensayo #5 #6 #7 #8 ##99


15x15 15x15 15x15 15x15 30x30

Caja superior Arena de relaves

Arena de relaves

Arena de relaves

Material de drenaje

Material de drenaje

Geomembrana ES1 ES1 ES1 ES1 ES1 Caja inferior Suelo ‘S2’ Suelo ‘S1’ Suelo ‘S2’ Suelo ‘S1’ Suelo ‘S1’ Esfuerzo vertical (kPa)

50, 100, 250

800, 1.600, 2.400, 3.140

800, 1.600, 2.400, 3.140

800, 1.600, 2.400, 3.140

100, 200, 400, 600


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Tabla 5 – Ensayos geomembrana ES3

Ensayo #10#10


15x15

Caja superior Material de drenaje Geomembrana ES3 Caja inferior Suelo ‘S1’ Esfuerzo vertical (kPa) 800,

1.600, 2.400, 3.140

Tabla 6 – Ensayos geomembrana HDPE(e=1,5mm)

Ensayo ##1111


30x30

Caja superior Suelo ‘S1’ Geomembrana HDPE (e=1,5 mm) Caja inferior Suelo CL Esfuerzo vertical (kPa) 200,

400, 600, 785

4 Resultados del programa de ensayos

Durante la ejecución de los ensayos de corte directo, se evaluó mediante observación visual el comportamiento de las geomembranas, principalmente ante punzonamiento, desgarro y/o rotura, en la interacción con los distintos tipos de materiales y ante los distintos niveles de carga utilizados. La observación visual realizada durante los ensayos de corte directo demostró que el ensayo de caracterización mecánica de las interfaces geomembrana ‐ suelo es válido hasta esfuerzos verticales de 400 kPa. Para esfuerzos mayores, se produce rotura (en dirección del ensayo) del borde de la geomembrana anclado al equipo (Fig. 2 y Fig. 3) y los resultados resultan afectados. Por este motivo, para la determinación del ángulo de fricción entre las interfaces se consideraron sólo los ensayos con esfuerzos verticales menores a 400 kPa.

Fig. 2 – Interfaz Geomembrana ES1 ‐ material de drenaje, ensayada a 600 kPa. (Ensayo #9)

Fig. 3 – Interfaz Geomembrana HDPE – suelo

de fundación ensayada a 785 kPa. (Ensayo #11)

En la Tabla 7, se muestran los valores del ángulo de fricción en las interfaces (asumiendo cohesión nula) y el rango de deformación donde se alcanza la resistencia máxima y residual, bajo esfuerzos

verticales v < 400 kPa. En las Fig. 4 a Fig. 8 se muestran las envolventes de la resistencia máxima y residual de estos ensayos.


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Tabla 7 – Resultados ensayos de resistencia a la fricción suelo ‐ geomembrana

Ensayo

Ángulo de fricción Desplazamiento (*)

(máx) (°)

(residual) (°)

Δ (máx) (min – max) (cm)

Δ (residual) (cm)

#1 ≥33,7 ≥19,1° 2,6 – 3,7 7,5

#2 33,8 30,9 0,4 – 1,2 7,1

#5 32,8 30,4 0,4 – 2,3 7,1

#9 ≥38,3 ≥24,0 2,2 – 3,7 7,5

#11 ≥28,1 ≥20,5 0,3 – 0,6 7,5 (*)

Medido para esfuerzos verticales v < 400 kPa.

0 200 400 600 800

v (kPa)

0

200

400

600

800Envolventes de resistencia

Máxima

Residual

máx 33,7°

res 19,1°

Fig. 4 – Interfaz Suelo ‘S1’ –

Geomembrana SC1 (Ensayo #1)

0 200 400 600 800

v (kPa)

0

200

400

600

800Envolventes de resistencia

Máxima

Residual

máx = 33,8°

res = 30,9°

Fig. 5 – Interfaz Arena de relaves – Geomembrana SC1 (Ensayo #2)

Fig. 6 – Interfaz Arena de relaves – Geomembrana ES1 (Ensayo #5)

Fig. 7 – Interfaz Material de drenaje – Geomembrana ES1 (Ensayo #9)


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(kP

a)

Fig. 8 – Interfaz Suelo ‘S1’ – Geomembrana HDPE (e=1,5mm) (Ensayo #11)

Para las geomembranas SC1 y ES1 en contacto con material de suelo de fundación, arena de

relaves y material de drenaje, se estiman ángulos de roce () máximos superiores a 32° y residuales mayores a 19°; para el caso de la geomembrana de HDPE en la interfaz con suelo de fundación, los ángulos de fricción máximo y residual se estiman en 28° y 20°.

Posterior a la ejecución de los ensayos de corte directo, se realizó una observación visual de las geomembranas bituminosas y de HDPE, en donde no se detectaron daños al punzonamiento o desgarros en el área en contacto con los materiales de suelo de fundación, arena de relaves y lamas, bajo el rango de esfuerzos verticales aplicados.

Sin embargo, algunos daños fueron detectados en las muestras de geomembrana SC1 y ES1, en la interacción con el material de drenaje (material más grueso) y principalmente cuando fueron sometidas a 3140 kPa de carga vertical. Estos daños se produjeron en el borde en contacto con la caja de ensayo (Fig. 9 y Fig.10); particularmente, en el caso de la geomembrana ES1, se observó una perforación de 6,3 mm.

En la geomembrana bituminosa ES3, no se observaron desgarros ni punzonamiento en ninguna de las condiciones de montaje.

Fig. 9 – Geomembrana SC1 vs material de

drenaje a 3140 kPa (Ensayo #4)

Fig. 10 – Geomembrana ES1 vs material de

drenaje a 3140 kPa (Ensayo #8)


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Junto a la observación visual de cada ensayo y principalmente para evaluar el comportamiento a de las geomembranas tras ser sometidas a cargas, se procedió a la determinación del espesor y propiedades a la tracción de cada una de las muestras sometidas a los esfuerzos verticales máximos de cada serie de ensayo. Los resultados de estos ensayos se presentan en las Tabla 8 a Tabla 11.

Tabla 8 – Ensayos geomembrana SC1

Ensayo Valor nominal(*)

#1 #2 #3 #4

Espesor (mm) 2,2 1,0 1,5 0,8 0,8 Resistencia a la rotura (kN/m) 25 23 25 20 13 Elongación a la rotura (%) 40 53 64 61 49 (*) Valor referencia Proveedor.



#5 #6 #7 #8 ##99

Espesor (mm) 3,5 2,9 1,9 2,2 1,9 2,4Resistencia a la rotura (kN/m) 22 19 20 20 19 19 Elongación a la rotura (%) 60 93 97 94 92 86 (*) Valor referencia Proveedor.



#10

Espesor (mm) 4,8 2,8 Resistencia a la rotura (KN/m) 33 26

Elongación a la rotura (%) 60 89 (*) Valor referencia Proveedor.

Tabla 11 – Ensayos geomembrana HDPE(e=1,5mm)


#1111

Espesor (mm) 1,5 1,6 Resistencia a la rotura (KN/m) 40 40

Elongación a la rotura (%) 700 633 (*) Valor referencia Proveedor.

Los ensayos de verificación de la integridad de las geomembranas bituminosas indicaron una significante reducción en el espesor, y una reducción de la resistencia a la rotura y aumento de la elongación.

Para el caso de las geomembranas bituminosas la mayor reducción del espesor y de sus características mecánicas se produce cuando se someten a esfuerzo vertical de 3140 kPa y en la interacción con material de drenaje.

De los tres tipos de geomembranas bituminosas ensayadas, la mayor reducción del espesor y de resistencia a la rotura fue en la geomembrana SC1, con una reducción del espesor de 2,2 mm a 0,8 mm y de resistencia a la rotura de 25 kN/m a 13 kN/m.

6 Conclusiones

Geomembrana de HDPE y geomembranas bituminosas fueron ensayadas para evaluar la aplicabilidad en distintas configuraciones de diseño para tranques de relaves. Dichos ensayos


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consistieron en reproducir en laboratorio las condiciones de terreno a las que va a estar sometida la geomembrana.

En relación a los ensayos de Corte Directo válidos para la determinación del ángulo de fricción en

la interfaz (n < 400 kPa), todos los resultados obtenidos con las geomembrana bituminosas

mostraron buen comportamiento a la fricción, con ángulos de roce () máximos superiores a 32° y residuales mayores a 19°. Ángulos de fricción máximo y residual para la geomembrana de HDPE lisa fueron estimados en 28° y 20° respectivamente, siendo compatibles con los valores encontrados en distintas publicaciones [2] [3] y base de datos de otros proyectos [7].

En relación al comportamiento posterior a los ensayos de corte, disminución del espesor y reducción de la resistencia a la rotura fueron detectados en todas las muestras de geomembranas bituminosas tras ser ensayadas a las presiones máximas del estudio.

En cuanto al comportamiento de las geomembranas bituminosas, no se observaron diferencias particulares entre las geomembranas tipo SC1, ES1 y ES3, más que unos pequeños daños observados en las geomembranas SC1 y ES1 en el borde en contacto con la caja de corte, en interacción con material de drenaje y sometidas a carga máxima de confinamiento de 3140 kPa.

En el caso de la geomembranas de HDPE, tras ser sometidas a carga máxima de 785 kPa, no se detectaron diferencias significativas en comparación a los valores nominales de la resistencia a la rotura. Cabe señalar que la geomembrana de HDPE no fue sometida a ensayos con materiales drenantes, donde es clara la necesidad de poner una protección mecánica para reducir la posibilidad de daños.

Por último se puede mencionar que la elección de un tipo u otro de geomembrana depende de las características de resistencia a la fricción que se requieran para asegurar la estabilidad del tranque, la resistencia al nivel de cargas que estará sometida durante su vida útil y los costos involucrados en la adquisición e instalación de cada una de éstas.

Referencias

[1] Koerner R.(2005), Designing with Geosynthetics. Pearson Prentice Hall. Fifth Edition.

[2] Andrade C., Bard E., Campaña J. & Paredes L., (1997), “Caracterización Geotécnica de Interfaces de materiales granulares y geomembrana”, 4° Congreso Chileno de Ingeniería Geotécnica.

[3] Bard E., Campaña J., Garrido H., (2003), “Depósito de Ripios Lixiviados – Caracterización interfaz de material granular y geomembrana”, 12th Panamerican Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering.

[4] ASTM D5321‐08 “Standard Test Method for Determining the Coefficient of Soil and Geosynthetic or Geosynthetic and Geosynthetic Friction by the Direct Shear Method”.

[5] ASTM D5199‐11 “Standard Test Method for Measuring the Nominal Thickness of Geosynthetics”.

[6] ASTM D7275‐07 (2012) “Standard Test Method for Tensile Properties of Bituminous Geomembranes (BGM)”.

[7] Golder Associates S.A., Base de datos diferentes Proyectos.

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