SEMANA XVI:GEOSINTETICOS

Geosintéticos:

Es importante definir a los “Geosinteticos” como: Materiales poliméricos, generalmente delgados, flexibles y laminares, que se utilizan para mejorar las propiedades ingenieriles de los suelos. Esta definición obliga a explicar brevemente ¿Qué son los polímeros? y en segundo lugar a definir los tipos de Geosinteticos antes de mostrar sus aplicaciones.

POLIMEROS

Los Polímeros son Macromoléculas, generalmente orgánicas, formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas Monómeros.En realidad, los polímeros son tan antiguos como la vida misma, toda vez que ella se basa en tres grupos de macromoléculas: el ARN, el ADN y las Proteínas. Como proceso de polimerización se podría afirmar que el más antiguo conocido por el hombre es el tratamiento del cuero, una forma artificialmente reticulada de las proteínas encontradas en las pieles de los animales.

Nuestros antepasados se dieron cuenta que al dejar una piel de animal a la intemperie, esta se seca, se pone quebradiza y se cuartea, pero en cambio al lavarla con agua con cal y tratarla con el tanino presente en las cortezas de los árboles, se consigue la impermeabilidad y flexibilidad características del cuero. Los primeros polímeros que se sintetizaron, se obtuvieron a partir de la celulosa, un polímero natural que se encuentra en la madera y el algodón. En 1846, el químico

Christian Friedrich Schönbein sintetizó accidentalmente el nitrato de celulosa y en 1868, John W. Hyatt sintetizó el celuloide a partir de él. El primer polímero totalmente sintético se obtuvo en 1909, cuando el químico belga Leo Hendrik Baekeland fabricó la baquelita a partir de formaldehído y fenol y en 1922, el químico alemán Hermann Staudinger comienza a estudiar los polímeros hasta 1926 en que expone su hipótesis de que se trata de largas cadenas de unidades pequeñas, unidas por enlaces covalentes. En 1953 recibió el Premio Nobel de Química por su trabajo.  Una primera clasificación de los polímeros basada en el proceso de obtención
es:

• Polímeros Naturales, como las proteínas, la celulosa, el caucho natural, etc.
• Polímeros Semi-sintéticos, comola nitro celulosa, el caucho vulcanizado, etc.
• Polímeros Sintéticos, como el polietileno, el polipropileno, el poliéster, etc.

El comportamiento de los polímeros se basa en tres características:

• La Cadena
• Las Fuerzas Intermoleculares
• El Tiempo de Movimiento.

Una Cadena es un conjunto de moléculas cuyos átomos se encuentran unidos en una línea larga de muchos miles o millones de repeticiones . Los polímeros no son planos, sino que constituyen un zig-zag tridimensional como el que muestra la figura de abajo, lo que facilita que los átomos de una cadena se asocien con los de otras cadenas, ocasionando que los polímeros lineales (formados por una única cadena de monómeros), presenten ramificaciones, entrecruzamientos y formas radiales o ramificadas. Se denomina Funcionalidad al número de sitios en los que una molécula monomérica puede unirse con otras moléculas poliméricas.

Las Fuerzas Intermoleculares afectan tanto a los polímeros como a las moléculas pequeñas, pero con los polímeros, estas fuerzas se combinan ampliamente. Cuanto más grande sea la molécula, habrá más posibilidad de ejercer una fuerza intermolecular. Aún las débiles fuerzas de Van de Waals, pueden resultar muy fuertes en la unión de las distintas cadenas poliméricas. Esta es otra razón por la cual los polímeros pueden ser muy resistentes. El polietileno, por ejemplo, es muy apolar (sólo intervienen fuerzas de Van der Waals), pero en una cadena polimerizada con peso molecular ultra-elevado, se consiguen materiales para la confección de chalecos a prueba de balas o como pistas de patinaje. Los polímeros se mueven más lentamente que las moléculas pequeñas.

Esta velocidad lenta hace que los polímeros hagan cosas inusuales. Un grupo de moléculas pequeñas puede moverse mucho más rápido y más caóticamente cuando no se encuentran unidas entre sí. Si se las une a lo largo de una extensa cadena, se desplazarán más lentamente. La naturaleza química de los monómeros, su peso molecular y otras propiedades físicas, así como la estructura que presentan, determinan las diferentes características de cada polímero. Por ejemplo, si un polímero presenta un alto grado de entrecruzamientos, el material será mucho más difícil de fundir, que si no presentara ninguno.

Cadena de Polipropileno formada por polimerización de las moléculas de Etileno

Gráfico de enlaces químicos

Una segunda clasificación de los polímeros se da según su estructura o propiedades:

• Plásticos:  Se incluye dentro de este término genérico a los termoplásticos amorfos y semi-cristalinos (Polietileno, Polipropileno, Poliestireno), los mismos que no presentan entrecruzamientos, que pueden calentarse repetidamente hasta su punto de ablandamiento, darles la forma que se desee y luego de enfriados conservar esa forma remoldeada; y a los termoestables o termofijados (nitrilo, butilo, etc), que son polímeros con un alto grado de entrecruzamiento y en los que el proceso de calentamiento no puede ser repetido pues cualquier calor adicional después de la primera forma solo llevará a la carbonización y degradación del material. Estos son los polímeros base de los geosinteticos.

• Elastómeros: Son polímeros con un bajo grado de entrecruzamiento, que se caracterizan porque pueden estirarse varias veces su longitud, para luego recuperar su forma original sin deformación permanente. Estos son principalmente los polímeros base de los modificadores del asfalto.

• Fibras, recubrimientos, adhesivos: Son polímeros cuyas cadenas están extendidas en forma recta, una al lado de la otra, a lo largo de un mismo eje. Estos polímeros se utilizan preferentemente con el concreto de cemento Portland. Los polímeros mas usados en la fabricación de geosinteticos en los E.E.U.U. son:

• Polipropileno (PP) 85 %
• Poliéster (PET) 12 %
• Polietileno (PE) 2 %
• Poliamida (Nylon 6/6) 1 %

En otros países como Brasil, se prioriza el uso del PET sobre el PP. Según Koerner, los geosinteticos que se fabrican según el tipo de polímero es como sigue:

Polipropileno (PP)

• Geotextiles
• Geomembranas
• Geomallas
• Geocompuestos

Poliéster

• (PET) Geotextiles
• Geomallas

Polietileno (PE)

• Geotextiles
• Geomembranas
• Geomallas
• Geotubos
• Georedes
• Geocompuestos

Poliamida (Nylon 6/6) Geotextiles

• Geocompuestos
• Geomallas

Poliestireno (PS)

• Geocompuestos
• Geobloques
• Geoespuma

Para finalizar esta primera parte, solamente nos resta mencionar que a diferencia de los materiales de construcción convencionales, los geosinteticos requieren de Pruebas de Caracterización que permitan identificar con exactitud el tipo de polímero con que se está tratando. Esto es sumamente importante en un medio como el nuestro con falta de normas de ensayos y de procedimientos de colocación, pues se conoce de productos nacionales e importados que han fallado (entendiéndose como falla a todo resultado diferente al que se esperaba obtener) por no cumplir con las especificaciones de fabricación.

FUNCIONES DE LOS GEOSINTÉTICOS

Son individual o colectivamente las siguientes:

TIPOS DE GEOSINTÉTICOS

Hay muchas formas de diferenciar a los geosinteticos y en nuestra opinión, la presentada por T. Ingold, H. Brandl, G. MannsbarT, basada en una sola propiedad (la permeabilidad) y ampliada por nosotros a otras funciones, muestra una diferenciación bastante clara:

• Kgeosintético <<K suelo  (Geomembranas& Productos Relacionados con las Geomembranas (GCLs, Mantas Impregnadas))
• Kgeosintético ~ K suelo (Geotextiles & Productos Relacionados con los Geotextiles (Geomallas, Georedes, Geoceldas, Geomantas))
• Geocompuestos (En Función Resistente, en Función de Drenaje)
• Geo-otros (Geotubos, Geobloques, etc)

NOMENCLATURA Y SÍMBOLOS

La Sociedad Internacional de Geosinteticos ha propuesto la siguiente nomenclatura y simbología para los Geosinteticos:

Nomeclatura y clasificación para los geosintéticos

APLICACIONES

Lasprincipales aplicaciones de las Geomembranas se encuentra en minería, como elemento impermeable en las pozas de lixiviados. Sin embargo, en Ingeniería Civil, es posible encontrarlas asociadas con los geobloques y geotextiles, pero siempre en la función de impermeabilización, por eso se dice de ellas que son monofuncionales. Una aplicación poco difundida de las geomembranas en ingeniería civil está en las MEPS (por sus siglas en inglés), o Secciones de Pavimentos Encapsulados en Membranas, desarrolladas por el COE (Cuerpo de Ingenieros de los E.E.U.U.), consistentes en capas de arcilla compactada encapsuladas en geomembranas de polietileno.

Colocación de una tubería perforada en la parte inferior de un Geodren (carretera Pativilca-Huaráz-Perú)

Geomalla Biaxial en la parte inferior de la Base Granular de los pavimentos del Almacén Tramarsa (Callao-Perú)

Los Geotextiles cubren prácticamente todas las funciones mencionadas anteriormente, haciendo la salvedad de que la función drenante (flujo en el plano del geotextil) está limitada a ciertas aplicaciones y que mas bien se utiliza con los geotextiles asociados con las georedes, en los geocompuestos de drenaje (o más simplemente geodrenes).

Bloques de EPS (espuma de poliestireno expandido) empleados en la conformación de terraplenes de poco peso

Las geomallas cubren básicamente la función resistente, sea en pavimentos a nivel de Su-rasante o debajo de la Base, en el cuerpo de taludes o debajo de rellenos sobre suelos blandos. Para finalizar queremos mencionar a un geosintetico que aún no ha sido aplicado en nuestro país, pero que se viene usando de manera creciente en Japón, Europa y los Estados Unidos: la espuma de Poliestireno Expandido (EPS por sus siglas en inglés) o de manera mas corta los Geobloques.

 Es un producto de bajo peso específico (entre 11 y 28 kg/m3) y resistencia a la compresión comprendida entre 35 y 170 kPa, para 5% de deformación. Se fabrica a partir de granulados de poliestireno que se impregnan con gas pentano para producir una preexpansión de hasta casi 50 veces su tamaño original por medio de calentamiento y liberación rápida del gas durante la fase de transición vítrea del granulado. Los productos finales moldeados en bloques se utilizan ampliamente en Japón, Europa y los E.E.U.U. como cuerpo de rellenos ligeros sobre suelos blandos.