ES2345472B1 - Dispositivo para simulacion del comportamiento termo-hidro-mecanico de barreras de materiales finos, para la impermeabilizacion y sellado de vertederos. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para simulación del comportamiento
termo-hidromecánico de barreras de materiales finos,
para la impermeabilización y sellado de vertederos.
La presente invención consiste en un recinto de
confinamiento (1), materializado en un bastidor de hormigón armado
abierto superiormente, que apoya la solera sobre pilares (2) de
acero. Sobre la base materializada en placas enrejilladas (3) de
acero, se dispone y compacta el material (4) a analizar. Bajo esta
placa (3) se sitúa una bandeja (5) que recoge lixiviados. Sobre su
embocadura superior se sitúa un sistema de riego de boquillas
nebulizadoras (7) controlado por un autómata programable (8), que
simula condiciones
termo-hidro-pluviométricas
naturales. Durante el proceso de compactación se reparten en el seno
del material sensores electrónicos (11-12) que
recogen lecturas periódicas sobre el contenido de humedad,
temperatura y otros parámetros relevantes. El dispositivo permite
conocer comportamientos de materiales de granulometría fina
dispuestos en capas según su capacidad para retrasar la migración de
agua, muestrear y caracterizar la calidad del fluido percolante,
evaluar su longevidad y mecanismos de deterioro.
Description
Dispositivo para simulación del comportamiento
termo-hidro-mecánico de barreras de
materiales finos, para la impermeabilización y sellado de
vertederos.
La presente invención se refiere a un
dispositivo experimental destinado al estudio del comportamiento de
materiales finos, ya sean de origen natural, artificial o residuos,
susceptibles de ser empleados en la construcción de capas de sellado
y/o impermeabilización de vertederos.
Dicho comportamiento se refiere, en particular,
a la determinación de las propiedades del material frente a la
infiltración de agua y/o lixiviados, así como a su longevidad y
estabilidad, sometido a un régimen
termo-hidro-metereológico análogo al
natural de una región dada y emplazado bajo condiciones
equivalentes a las de obra.
El dispositivo resulta aplicable al ámbito
industrial de las empresas constructoras y responsables de la
gestión de vertederos, en particular cuando tales empresas emplean
residuos finos de procesos industriales en la confección de las
capas de sellado y/o impermeabilización de tales vertederos. Tiene
interés, asimismo, para la Administración, en particular cuando
ésta requiera la demostración del rendimiento y/o características de
materiales finos no convencionales, para su uso como capas de
sellado y/o impermeabilización de vertederos.
La clausura y sellado de vertederos constituye
un problema acuciante en muchos municipios y tiene una clara
componente transnacional. Asimismo, donde los vertederos constituyen
una solución al problema de la gestión de residuos, es importante
que su construcción se verifique a través de los más estrictos
controles.
El uso de materiales finos en la constitución de
capas de sellado y/o impermeabilización de vertederos no es nuevo,
pudiendo citarse entre otros los residuos de distintos procesos
industriales tales como cenizas volantes, fangos de depuradora,
fabricación de áridos, etc.
Tales materiales finos tienen a menudo
propiedades distintas de otros materiales tecnológicos tales como
geo-textiles, geo-membranas, etc.,
que resultan mucho más caros. Sin embargo, existe una limitada
experiencia en relación al comportamiento y longevidad de muchos de
estos materiales alternativos, en relación con la preservación del
medio ambiente a medio y largo plazo, de manera que la construcción
de barreras con dichos materiales finos suele hacerse sin
experimentación previa y sin la identificación y alcance de los
procesos de deterioro que puedan afectarles.
El dispositivo simulador que propone la
invención resuelve la problemática anteriormente expuesta,
permitiendo analizar de forma sencilla y versátil el comportamiento
termo-hidro-mecánico de barreras
realizadas con estos materiales.
Para ello y de forma mas concreta el dispositivo
consiste en un recinto de confinamiento, de dimensiones apropiadas,
abierto superiormente y con su base inferior enrejillada y cubierta
con una lámina geo-textil porosa que permite el paso
de los fluidos a una bandeja colectora inferior, con su
correspondiente vertedero, estando las paredes laterales del recinto
debidamente impermeabilizadas, y quedando dicho recinto destinado a
recibir por capas los materiales finos a ensayar.
Encima del citado recinto de confinamiento se
establece un sistema de hidratación automatizado, a base de
boquillas nebulizadoras de agua, asistidas por un sistema de
prefiltro y filtro adecuado para impedir la oclusión de los
orificios nebulizadores, como consecuencia de las partículas
arrastradas por el agua.
El caudal de agua suministrado por el sistema de
hidratación está controlado por un autómata programable que actúa
sobre una electroválvula de regulación de caudal, asistida a su vez
por un caudalímetro electromagnético que se encuentra conectado
también al autómata.
En el seno del recinto de confinamiento se
establecen una serie de sensores electrónicos que recogen lecturas
periódicas sobre el contenido de humedad, temperatura o cualquier
otro parámetro relevante para el análisis a realizar.
Como complemento de la estructura descrita y con
carácter opcional, el dispositivo puede incorporar además un sistema
de calefacción/iluminación cenital, un sistema de ventilación
lateral y un sistema de calefacción bajo el material de barrera, en
orden a, ensayar el material bajo distintas condiciones, análogas a
las que se darían en un vertedero real.
La compactación por capas prevista para el
material puede llevarse a cabo empleando cualquier equipo comercial
de vibro-compactación, aplicando a cada tongada de
material el número de pasadas necesario para alcanzar el objetivo de
compactación prescrito, tomándose muestras tras cada fase de
compactación para determinación de su volumen y contenido de
humedad.
En esta fase de emplazamiento de material, es
posible instrumentarlo a fin de adjuntar a lo largo del tiempo la
evolución de ciertos parámetros de control que sean de interés,
pudiendo emplazarse en el mismo psicrómetros conectados a un SAD
(Sistema de Adquisición de Datos), o tubos para inserción de sonda
de medida de la constante dieléctrica del complejo
suelo-agua también conocida como sonda TDR (Time
Domain Reflectometry) de Tubo, así como cualquier otro sensor de
interés potencial, por ejemplo con el fin de detectar movimientos,
asientos, etc. para la medida directa o automatizada de otros
parámetros.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de
realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de
dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter
ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra, según una vista en
perspectiva, un dispositivo para simulación del comportamiento
termo-hidro-mecánico de barreras de
materiales finos realizado de acuerdo con el objeto de la presente
invención, el cual aparece parcialmente seccionado, al igual que el
material alojado en el mismo, para una mejor visualización de su
estructura.
La figura 2.- Muestra, según una perspectiva
similar a la figura anterior, el mismo dispositivo sin seccionar con
el fin de mostrar una visión conjunta del mismo.
A la vista de las figuras reseñadas puede
observarse como el dispositivo que la invención propone se
materializa en un recinto de confinamiento 1, materializado en un
bastidor de hormigón armado, de configuración
prismático-rectangular, hueco y abierto tanto
superior como inferiormente, el cual descansa sobre pilares 2 de
acero que lo sobreelevan convenientemente con respecto a la solera o
superficie de apoyo. Para minimizar las eventuales pérdidas por
filtración a través de las paredes de este bastidor de hormigón, a
su superficie interna se aplican capas de imprimación selladora de
poros.
A nivel de la embocadura inferior del citado
bastidor se establece una placa enrejillada 3, preferentemente de
acero inoxidable, y en cualquier caso de resistencia adecuada para
soportar, sin colapsar ni flechar mas allá de una cierta tolerancia,
tanto las cargas instantáneas como las diferidas del material 4
ensayado.
Para evitar que en el momento del vertido del
material 4 en el interior del recinto de confinamiento 1 se produzca
una pérdida de material 4 a través de la placa enrejillada 3
inferior, se ha previsto que sobre dicha placa enrejillada 3 se
sitúe una lámina geotextil porosa, que permite la compactación de la
primera tongada de material 4, impidiendo la caída de dicho material
4 a una bandeja 5 inferior, inclinada, también de acero inoxidable,
capaz de recoger y canalizar los fluidos resultantes de la
precolación vertical a través del material 4 que simula la barrera o
sello, hacia un vertedero tubular 6. Dichos fluidos pueden ser
aforados y muestreados a fin de determinar sus características
químicas y su evolución temporal.
Volviendo nuevamente a los pilares 2 de
sustentación del recinto de confinamiento 1, cabe señalar que
estarán dimensionados de acuerdo con los requerimientos de carga,
debidos al peso propio del bastidor y de los elementos auxiliares,
al peso de los materiales 4 finos objeto de estudio, al peso
equivalente del agua en relación a la porosidad del material 4, al
peso equivalente de una persona y la correspondiente: maquinaria de
compactación, y finalmente a un suplemento de carga en forma de
coeficiente de seguridad para absorber las acciones dinámicas de la
vibración así como posibles imprevistos.
De acuerdo con un ejemplo preferente de
realización práctica de la invención, el bastidor de hormigón
constitutivo del recinto de confinamiento 1 tiene una planta
cuadrada, próxima a los 5 m^{2} de superficie, con una altura de
1,5 m y un espesor de pared de 0,15 m, y está previsto para recibir
el material 4 a analizar en tongadas de entre 0,2 y 0,3 m, de manera
que la altura límite del material 4 en el seno del recinto se
alcanza tras la compactación de entre 3 y 4 tongadas.
Sobre el recinto de confinamiento 1 así
estructurado se localiza un sistema de hidratación automatizado, en
el que participa un sistema de tubos, codos y válvulas, para
alimentación de una pluralidad de boquillas nebulizadoras 7 de agua
uniformemente distribuidas, tal como muestra la figura 2, con sus
correspondientes elementos de sujeción o fijación al recinto de
confinamiento 1, no representados, estando dichas boquillas
nebulizadoras 7 dotadas de filtros y prefiltros que retienen
posibles partículas arrastradas por el agua, impidiendo la oclusión
de los orificios nebulizadores.
El número de boquillas nebulizadoras 7, así como
su distribución, es tal que permite garantizar un reparto homogéneo
de la precipitación sobre el material 4, con una nula erosión del
mismo y una nula pérdida de agua por proyección fuera del recinto de
confinamiento 1.
El caudal de agua suministrado por las boquillas
nebulizadoras 7 es controlado por un autómata programable 8 que
actúa sobre una electroválvula de regulación 9, que a su vez es
asistida por un caudalímetro electromagnético 10, configurando un
sistema de control de caudales automatizado. La programación del
autómata 8 se verifica a través de una aplicación informática
específica que le traslada una secuencia de comandos de
apertura/cierre de la electroválvula 9. Con ello es posible simular
a lo largo de periodos de tiempo tan largos como se considere
oportuno, como por ejemplo uno o varios años hidrológicos,
secuencias naturales de precipitación o valores suavizados, máximos,
medios o mínimos.
Durante el proceso de compactación se introducen
en el seno del material 4, a distintas alturas, sensores
electrónicos 11 y 12 que recogen lecturas periódicas sobre el
contenido de humedad, temperatura o cualquier otro parámetro que se
estime relevante. En la realización preferente elegida los sensores
11 consisten en psicrómetros, mientras que los sensores 12 consisten
en tubos para lecturas con sonda TDR.
En ambos casos la variable de observación es el
grado de hidratación del material 4 de barrera, ya sea a través de
la presión de succión en el caso de los psicrómetros, o del
contenido volumétrico de agua en el material en el del TDR.
Asimismo, es posible emplazar cualquier otro sensor de interés
potencial para medida directa o automatizada de otros
parámetros.
Finalmente y aunque no se ha representado en las
figuras, el autómata programable 8 es susceptible de controlar
simultáneamente elementos accesorios de regulación tales como los
citados sistemas de calefacción/iluminación cenital, como por
ejemplo lámparas de infrarrojos, un sistema de ventilación lateral,
como por ejemplo ventiladores de baja velocidad, y un sistema de
calefacción bajo el material 4 de barrera, de manera que cada una de
estas opciones permite ensayar el material 4 de barrera bajo
distintas condiciones tales como ciclo diurno y/o nocturno,
evaporación forzada por circulación de aire, efectos térmicos
análogos a los que ocurrirían en un vertedero de residuos sólidos
urbano.
El dispositivo de ensayo de la invención es de
uso general, aunque ha sido diseñado específicamente para materiales
de granulometría fina, con origen natural, artificial o residuos,
como anteriormente se ha dicho. Una aplicación típica del
dispositivo constaría de cuatro etapas: a) Conceptualización y
diseño de la barrera (estructura interna de la barrera, selección de
variables de observación, acopio de materiales y datos, calibración
de sensores, etc.); b) Construcción física de la barrera
(compactación, instrumentación y desarrollo de pruebas de
conformidad); c) Explotación del sistema (adquisición de datos,
solución de contingencias, etc.); d) Desmantelamiento (análisis
post-mortem del ensayo, caracterización de
los materiales, re-calibración de sensores,
etc.).
La demostración del funcionamiento del
dispositivo se ha verificado mediante el estudio del comportamiento
de finos de corte de granito (serrines), un material de
granulometría homogénea tipo limo producido en grandes cantidades en
los talleres de elaboración de roca ornamental. El ensayo realizado
emplea alrededor de 4.4 m^{3} de finos para construir, una vez
compactados, una barrera homogénea de 0.9 m de espesor.
La compactación de los finos se realizó con una
plancha vibrante, por tongadas de unos 0.2 m de espesor. Esta es la
máxima profundidad de influencia del sistema de vibrocompactación
empleado. Durante el montaje de la barrera, se extrajeron muestras
compactadas a fin de determinar el contenido de humedad y la
correspondiente densidad seca (condiciones iniciales del ensayo).
Asimismo, tras la compactación de cada capa se emplazó, a razón de
5, 5 y 6 unidades por capa, un total de 16 psicrómetros. Ello
permite conocer la presión de succión (y, con la correspondiente
curva característica del material, la humedad) a profundidades
dentro de la barrera de 25, 50 y 75 cm, respectivamente.
Tras la compactación se perforaron 4 taladros en
los que se insertaron sendos tubos de 1 m de longitud a fin de
auscultar el contenido volumétrico de agua en incrementos de 10 cm
de profundidad mediante la inserción de un dispositivo TDR
portátil.
La programación del autómata para simular los
ciclos de precipitación se realizó empleando una serie
pluviométrica natural, que se suavizó para eliminar extremos. De
ese modo, el autómata trasforma la información pluviométrica en
órdenes de apertura/cierre al sistema
caudalímetro-válvula, simulando el año pluviométrico
seleccionado a escala de tiempo real.
El sistema de riego está constituido por 14
tubos con 5 boquillas cada uno, repartidas estas de forma
equidistante respecto de la superficie de la barrera. El agua es
micronizada en los nebulizadores para dar un tamaño de gota de 60
micras. Ello impide el desarrollo de eventuales procesos erosivos
focalizados sobre la superficie de la barrera, al tiempo que permite
simular correctamente algunas bajas precipitaciones puntuales.
La frecuencia de lectura de los psicrómetros se
estableció en 2 horas mientras que las lecturas con la sonda TDR se
realizaron con una cadencia diaria.
Claims (5)
1. Dispositivo para simulación del
comportamiento termo-hidro-mecánico
de barreras de materiales finos para la impermeabilización y sellado
de vertederos, caracterizado porque está constituido mediante
un recinto de confinamiento (1), de dimensiones apropiadas a la
volumetría de la muestra de material (4) a analizar, materializado
en un bastidor de hormigón armado, abierto superiormente, que
descansa sobre la solera a través de pilares (2) inferiores de
acero, y cuya base inferior queda conformada por una placa
enrejillada (3), también de acero, bajo la que se sitúa una bandeja
(5), colectora de los fluidos resultantes de la precolación vertical
a través del material (4), de fondo inclinado y con un vertedero
tubular (6), quedando establecidas sobre la embocadura de dicho
bastidor (1), una pluralidad de boquillas nebulizadoras (7) de agua,
cuyo caudal está controlado por un autómata programable (8) que
actúa sobre una electroválvula de regulación (9), asistida por un
caudalímetro electromagnético (10), quedando dispuesto en el seno
del recinto de confinamiento (1) una pluralidad de sensores, formada
por psicrómetros (11) y sondas TDR (Time Domain Reflectometry) de
tubo (12) para control de parámetros de interés, en orden a
controlar el grado de hidratación del material (4) de barrera.
2. Dispositivo para simulación del
comportamiento termo-hidro-mecánico
de barreras de materiales finos para la impermeabilización y
sellado de vertederos, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el bastidor de hormigón determinante del
recinto de confinamiento (1), presenta su superficie interior
revestida por una o varias capas de imprimación selladora de
poros.
3. Dispositivo para simulación del
comportamiento termo-hidro-mecánico
de barreras de materiales finos para la impermeabilización y sellado
de vertederos, según la reivindicación 1, caracterizado
porque la placa o placas enrejilladas (3) que constituyen el fondo o
base del recinto de confinamiento (1), está revestida por una lámina
geo-textil porosa que permite la compactación de la
primera capa o tongada de material (4) impidiendo su caída a la
bandeja (5) inferior pero facilitando simultáneamente el paso de los
fluidos de precolación.
4. Dispositivo para simulación del
comportamiento termo-hidro-mecánico
de barreras de materiales finos para la impermeabilización y sellado
de vertederos, según la reivindicación 1, caracterizado
porque las boquillas nebulizadoras (7) están dotadas de un sistema
de prefiltro y filtro adecuados para impedir la oclusión de los
orificios nebulizadores como consecuencia del arrastre de partículas
por el agua.
5. Dispositivo para simulación del
comportamiento termo-hidro-mecánico
de barreras de materiales finos para la impermeabilización y sellado
de vertederos, según la reivindicación 1, caracterizado
porque el autómata programable (8) es susceptible de controlar
elementos accesorios de regulación de parámetros ambientales,
concretamente un sistema de calefacción/iluminación cenital, un
sistema de ventilación: lateral y/o un sistema de calefacción bajo
el material (4) de barrera.
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-
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| MILLER, W.V. et al. Sanitary Landfill Simulation - Test Parameters and Simulator Conceptual Design. Agosto 1976 [en línea] [recuperado el 06.09.2010]. Recuperado de Internet: <URL:http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA030998&Locat on=\\ U2&doc=GetTRDoc.pdf> * |
| Varios autores. Geotextile. Wikipedia. Revisión de 17.06.2007 [recuperado el 06.09.2010] Recuperado de Internet: <http://es.wikibooks.org/wiki/Patolog%C3%ADa\_de\_la\_ edificaci%C3%B3n/Estructuras\_de\_hormig%C3%B3n/Reparaci%C3%B3n/ Protecci%C3%B3n\_paliativa\_superficial> * |
| Varios autores. Patología de la edificación/Estructuras de hormigón/Reparación/Protección paliativa superficial. Wikilibros. Revisión de 21.05.2007 [recuperado el 06.09.2010] Recuperado de Internet: <http://es.wikibooks.org/wiki/Patolog%C3%ADa\_de\_la\_ edificaci%C3%B3n/Estructuras\_de\_hormig%C3%B3n/Reparaci%C3%B3n /Protecci%C3%B3n\_paliativa\_superficial> * |
Also Published As
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