HDPE; TECNOLOGÍA DEL SIGLO PASADO?

Una discusión acerca del espesor mínimo de la geomembrana.

By. Fred P. Rohe

El término “espesor mínimo” parece implicar que mayor espesor es mejor. En realidad el grosor es solo una de las muchas propiedades del material que afecta el desempeño y la durabilidad de cualquier geomembrana. La discusión del espesor mínimo se enfoca en un parámetro e IGNORA todos los demás, muchos de ellos factores importantísimos en la funcionalidad, rentabilidad y diseño de proyectos.

Cuando se trata de aplicaciones de geomembrana, es imperativo considerar los siguientes factores:

  1. Tipo de material
  2. Estabilidad de Taludes
  3. Fabricación
  4. Resistencia a la tensión
  5. Elongación a la rotura
  6. Falla o falta en el rendimiento
  7. Estrés multi axial - stress cracking
  8. Oxidación
  9. Soldadura
  10. Flexibilidad
  11. Compatibilidad químicaR
  12. Regulaciones de manufactura e instalación.

TIPO DE MATERIAL

El polietileno es un plástico cristalino, rígido, inflexible. Desde otra perspectiva, el cloruro de polivinilo (PVC) es un plástico amorfo, fluido, FLEXIBLE...no tiene una estructura cristalina como el polietileno.

Esta simple diferencia en la composición de estos dos materiales crea disconformidades significativas en la forma en que responden a muchas fuerzas y situaciones externas en diversas aplicaciones geosintéticas al rededor del mundo.

ESTABILIDAD DE TALUDES

Uno de los estándares de la industria indica que en pendientes superiores a 6H / 1V es necesario usar HDPE texturizado para la estabilidad de taludes. El HDPE liso es inaceptable debido al bajo ángulo de fricción residual.

Esto en comparación con la geomembrana de PVC de superficie lisa estándar; la cual se instala rutinariamente en pendientes de 3H / 1V. Los revestimientos de polietileno texturizado se desarrollaron originalmente para competir con las características de estabilidad en la pendiente del PVC liso. Muy similar al desarrollo de los revestimientos de polietileno de baja densidad (LLDPE) , los cuales se diseñaron específicamente para competir con las características de flexibilidad del PVC.

Las geomembranas de PVC son esencialmente capaces de proporcionar ángulos de fricción residuales mucho más altos y de proporcionar estabilidad a los suelos; a diferencia de otros geosintéticos como el HDPE liso y texturizado.

Dado que el estándar de la industria es usar HDPE texturizado en todas las pendientes, es fructífero comparar materiales que se utilizarían en una pendiente mayor y con un ángulo de fricción residual igual o mayor al de un material con EL DOBLE de espesor para una misma aplicación.

FABRICACIÓN

Una milésima, medida usada para describir la geomembrana. Se define como 1/1000 de pulgada (0,001 pulgadas). Los métodos de medición del grosor de la geomembrana de PVC y HDPE texturizado difieren significativamente. Para comprender completamente esta diferencia, lea ASTM D-5199 geomembranas lisas y ASTM D-5994 para geomembranas texturizadas.

Todo el material de geomembrana de PVC se fabrica con una tolerancia de espesor de + / - 5%. Esto significa que el espesor mínimo de la geomembrana de PVC de 30 milésimas en cualquier parte de la hoja no puede ser menor a 28.5 milésimas. Por lo tanto, el grosor de la geomembrana de PVC solo puede variar por debajo del espesor mínimo, un máximo de 1.5 milésimas medidos en cualquier parte de la geomembrana.

A modo de comparación, la envoltura plástica transparente de la tintorería que acabas de recoger la semana pasada es de aproximadamente una milésima de espesor.
El HDPE, por otro lado, se fabrica con una tolerancia de espesor de + / - 10% que se mide utilizando métodos de valor mínimo de rollo promedio.

Esto significa que el espesor mínimo de HDPE texturizado de 60 milésimas no debe ser menor a 54 milésimas. En 8 de cada 10 medidas en todo el ancho del rollo, se debe de tener en cuenta que se acepta una medición de espesor de HASTA +/- 15% para una o dos de las mediciones, siempre que ya que el promedio mínimo de las medidas sea superior a 0.054 pulgadas.

Una nota típica al pie de la página para HDPE, “la combinación de concentraciones de tensión debida a la geometría de la textura de co-extrusión y el tamaño reducido de la muestra dan como resultado una gran variación de los resultados de la prueba.
Por lo tanto estas medidas son valores promedio mínimos”. PVC utiliza valores mínimos en lugar de valores de “promedio mínimo”.

Mientras que el espesor mínimo de PVC de 30 mills es + / - 5%, el espesor mínimo para HDPE texturizado de 60 milésimas es + / - 15%. De esta manera el PVC mantiene un control mucho más cercano del espesor del material en el proceso de fabricación.

RESISTENCIA A LA TENSIÓN

La resistencia a la tensión para PVC liso de 30 milésimas es de 73 lbs (2,400 psi), se prueba a una velocidad de 20 pulgadas por minuto. La resistencia a la tensión en la rotura para HDPE 60 mills es de 90 lbs (1,500 psi), el HDPE se prueba a una velocidad de 2 pulgadas por minuto.

Mientras que el espesor de PVC de 30 milésimas es 50% menor , la resistencia de la tensión a la rotura es solo 18% menor que el HDPE 60 milésimas. Duplicar el espesor de 30 milésimas a 60 milésimas para HDPE proporciona una resistencia ligeramente mayor al PVC. Acción que nulifica la necesidad de aumentar al doble el espesor del producto por un incremento de tan solo 18% en propiedades físicas del material.

ALARGAMIENTO A LA ROTURA

El alargamiento mínimo en rotura para geomembrana de PVC 30 milésimas es de 380%.
El alargamiento mínimo en rotura para geomembrana HDPE 60 milésimas es de solo 100%.

Mientras que el espesor del HDPE es el doble que el del PVC por mencionar un ejemplo, el alargamiento a la rotura del HDPE texturizado de 60 milésimas es en promedio un 60% mas bajo que el de PVC 30 milésimas.  

Los defensores del polietileno pueden señalar rápidamente que el HDPE LISO tiene un alargamiento mínimo a la rotura del 700%...NO OBSTANTE el HDPE LISO nunca se usa en una pendiente, por lo cual el valor no es relevante a comparación de las geomembranas en uso real.

FALLA O FALTA EN EL RENDIMIENTO

El PVC no tiene un limite elástico cuando se alarga.
El alargamiento de rendimiento mínimo para HDPE de 60 milésimas es de 12%-       (GRI GM-13). ESTE ES EL PUNTO EN EL CUAL HDPE FALLA.

Todo material con una estructura diferente a la cristalina del HDPE va a tener un rendimiento mayor en comparación al HDPE. Ya que la mayoría de los materiales amorfos permanecen elásticos durante su elongación a la falla.

El HDPE también es elástico , pero solo a través del alargamiento hasta su punto de fluencia, al rededor de 12%. Entonces el material se vuelve plástico, cuando se supera el punto de fluencia, EL HDPE YA NO ES EL MISMO MATERIAL. YA NO ES ELÁSTICO Y CAMBIA A UN ESTADO PLASTICO.

Una vez que el HDPE se ha alargado mas allá del limite de elasticidad (12%), pierde sus propiedades mecánicas y NO PUEDE FUNCIONAR COMO GEOMEMBRANA.

Los ingenieros pueden diseñar de forma segura utilizando límites de deformación dos o tres veces mayores mediante el uso de distintos materiales.

ESTRÉS MULTI-AXIAL (STRESS CRACKING)

Las geomembranas con una estructura cristalina están sujetas al agrietamiento por tensión ambiental. Cuanto mayor es la densidad de la resina, más probabilidades hay de que la lámina agriete.

El agrietamiento por tensión del HDPE es una seria desventaja al momento de maniobrar e interactuar con el material al momento de la logística e instalación de la geomembrana. Ya que solo se necesita una cantidad pequeña de fuerza en un solo lugar o un cambio brusco de temperatura para iniciar una grieta en la geomembrana.

La geomembrana de HDPE no debe estar sometida a tensiones desiguales para minimizar el agrietamiento por tensión.

Importante desventaja a la hora del despliegue y reparación de la geomembrana.

OXIDACIÓN

El PVC de 30 milésimas no se oxida en la superficie, cuando se requieren reparaciones o cuando se necesitan parches mediante la eliminación de muestras destructivas, la soldadura se puede realizar simplemente limpiando la superficie del PVC de cualquier suciedad o humedad. No se requiere preparación química o mecánica.

La unión se puede realizar químicamente en el caso del PVC. No se requiere la abrasión de la superficie de la geomembrana de PVC.

Para unir térmicamente paneles de HDPE por método de extrusion para reparaciones es necesario eliminar la oxidación de cada una de las laminas de polietileno antes de la soldadura por extrusión. Este proceso se lleva a cabo utilizado un esmeril de mano que utilizan discos de lijado para trabajo pesado.

Las especificaciones de soldadura limitan la cantidad de molienda superficial a un máximo del 10% del espesor de la geomembrana (6 milésimas en el caso de del HDPE de 60 mills, por comparación 5 milésimas es el grosor de una hoja de papel. Esto significa que un técnico con una herramienta manual que opera a 1,200 rpm con discos para trabajo pesado esta limitado a una tolerancia de 0.006 pulgadas cuando lija la superficie de un panel de HDPE.

Estamos enterados de que las agencias de regulaciones ambientales estaban conscientes acerca de las reparaciones en los materiales de alta densidad. Es la razón por la cual se han establecido los estándares en la industria correspondientes a los materiales de alta densidad. Algunos países Europeos requieren un mínimo de 100 mills para el HDPE con CERO cantidad de molienda a la hora de reparaciones e instalación. Dando como resultado, procesos ineficientes y técnicamente equívocos, otra seria desventaja de las geomembranas de alta densidad.

SOLDADURA

La soldadura de cuña caliente es la misma para materiales de baja densidad, PVC y alta densidad. Existen métodos que utilizan un equipo de aire caliente de doble via, lo que permite la prueba del canal de aire de todas las soldaduras de campo. Han habido muchos avances en la tecnología de soldadura, nosotros escogemos la mejor opción de soldadura dependiendo del material y del proyecto.

FLEXIBILIDAD

El PVC es muy flexible debido a la adición de plastificantes que hacen que el material sea ideal para aplicaciones de geomembrana.
FLEXIBILIDAD = DURABILIDAD.
El análisis forense del PVC después de la aplicación muestra que la geomembrana de PVC efectivamente hará el trabajo año tras año en aplicaciones enterradas de contención de líquidos.

Diferentes tipos de materiales entre ellos el PVC han sido probados por multiples investigadores entre ellos :

  • Oficinas gubernamentales de recuperación de los Estados Unidos y Europa 
  • Environmental Protection Inc; 25 y 30 años de geomembrana de PVC de 30 milésimas enterrada
  • Efectos del envejecimiento a largo plazo
  • INSTITUTO DE GEOMEMBRANA DE PVC

La flexibilidad también afecta como una geomembrana puede ver perjudicada por los pliegues, arrugas y ondas en el material. El HDPE de 60 milésimas requiere manejo especial durante la instalación para evitar pliegues en el material. Los pliegues y arrugas no están permitidos ya que causan agrietamiento por tensión en la geomembrana.

El análisis forense también ha demostrado que las ondas enterradas en la geomembrana de alta densidad son inmóviles por lo tanto permanecen en su lugar el resto de la vida útil del material en el proyecto. Sirviendo como conductos para el flujo de soluciones por debajo o encima de la geomembrana.

El PVC de 30 milésimas, por otro lado es extremadamente flexible debido a su composición amorfa. Además, el PVC tiene un coeficiente de expansión térmica 60% menor que HDPE. La geomembrana de PVC y otros tipos de materiales no están sujetas a la formación de ondas por cambios en la temperatura ambiente durante el día, como ocurre como el HDPE.

COMPATIBILIDAD QUÍMICA

Diferentes tipos de geomembranas incluidas las de PVC de 30 mills se han utilizado con éxito durante muchos años para aplicaciones de contención de residuos, incluidos rellenos sanitarios municipales, plantas de tratamiento de aguas residuales y contención de desechos animales.

La prueba EPA 9090 se ha realizado innumerables veces en geomembranas de PVC. Es necesario analizar los detalles del proyecto para seleccionar un material adecuado no solo para soportar las condiciones del proyecto pero para sobresalir en el desempeño.

REGULACIÓNES DE MANUFACTURA E INSTALACIÓN

Los Estados Unidos de America desempeñan uno de los papeles principales en la implementación de programas de desechos no peligrosos bajo el Subtitulo D. La EPA
( Environmental Protection Agency ; Agencia de Protección Ambiental ) ha desarrollado regulaciones para establecer normas técnicas nacionales mínimas sobre como deben diseñarse y operarse las instalaciones de eliminación, tratamiento y contención de residuos.

Las regulaciones del Subtitulo D determinan el espesor de la geomembrana utilizada en las aplicaciones de contención de desechos en EE.UU.

La siguiente es una referencia directa de la revisión de la EPA (Agencia de protección Ambiental ) - Especificaciones del Cuerpo de Ingenieros.

“ El grosor de los materiales debe ser una función del diseño que implica información y consideraciones específicas del proyecto. Aunque se permiten otros espesores, 30mills y 60 mills; este enfoque, creemos que ata las manos del diseñador forzando el uso de diseños genéricos conduciendo a aumentos en los costos generales del proyecto”.

“ Como parte de nuestra recomendación a las empresas de consulta e ingenieros encargados del diseño de proyectos, es que no especifiquen un espesor mínimo de material. Si no que permitan que los consultores formen parte del diseño del sistema. Nuestras recomendaciones están basadas dadas las características actuales de las propiedades físicas, mecánicas y de instalación de productos geosintéticos”.

Lo anterior se escribe exactamente como lo presento la EPA, como es notable en esta discusión la Agencia de Protección Ambiental esta muy preocupada del aumento de diseños genéricos y la falta de implementación de nuevas metodologías.

Preocupados de que estos diseños genéricos que usan solo criterio de espesor de material no solo sean costosos, sino que también sean perjudiciales en diversas situaciones. El ingeniero de diseño debe de tener la flexibilidad de usar el material mas efectivo para proporcionar una solución segura.

El requisito de un grosor mínimo sin importar el material no fomenta la mejora continua del diseño, comprometiendo las soluciones efectivas, seguras y asequibles.

Si tiene alguna pregunta relacionada con esta información, no dude en comunicarse con :

El Sr. Bob Landreth, Ingeniero en Jefe de Sección de Tecnología de Rellenos Sanitarios Rama de Gestión de Residuos Sólidos Municipales.
División de Investigación, Minimización, Destrucción y Disposición de Residuos.

El Sr. Dave Carson, Ingeniero Ambiental
Rama de Gestión de Residuos Sólidos Municipales.
División de Investigación, Minimización, Destrucción y Disposición de Residuos.

Estos Señores pueden ser contactados en la Agencia de Protección Ambiental de EE.UU.
Cincinnati, Ohio.

CONCLUSIÓN

La geomembrana lisa de cloruro de polivinilo de 30 milésimas es funcionalmente equivalente al polietileno de alta densidad (HDPE-PEAD).
La combinación de las propiedades físicas que posee la geomembrana de PVC y otros materiales otorgan características de rendimiento funcionalmente equivalente a las geomembranas de polietileno de alta densidad las cuales tienen el doble de espesor y desventajas significativas al momento del despliegue e instalación en sitio.

El PVC ha demostrado ser una solución ideal para aplicaciones de contención a largo plazo... para mayor información contáctenos al teléfono 001-(231)-499-1362 !!!

Estaríamos encantados de formar parte de sus soluciones en proyectos de construcción con geosintéticos.