1.Introducción

En las últimas décadas, las exigencias en materia de eficiencia y calidad a largo plazo de las estructuras subterráneas han aumentado. Hoy en día, la vida útil estándar de los túneles de carretera y ferroviarios es de 100 años y, en algunos casos, incluso más (hasta 150 años). Esto exige una mayor atención a la durabilidad de toda la estructura y de cada uno de sus elementos. 

Esta atención también debe prestarse a los sistemas de impermeabilización, que juegan un papel esencial en la durabilidad y calidad de las estructuras, como lo demuestra el altísimo impacto que tienen las entradas de agua en el deterioro de los revestimientos y la infraestructura (Howard, 1991; Sandrone y Labiouse, 2011). Esta cuestión es aún más relevante si tenemos en cuenta que en muchos casos es imposible o muy difícil reparar o reemplazar los elementos de impermeabilización una vez finalizado el túnel porque dichos elementos se instalan entre el revestimiento primario y el definitivo. 

A pesar de estos motivos de interés, en la actualidad existe una clara falta de conocimiento sobre el rendimiento a largo plazo de los sistemas de impermeabilización subterránea. 

En el siguiente artículo se analizará la degradación dependiente del tiempo de geomembranas impermeabilizantes mediante ensayos de laboratorio enfocados a geomembranas de Policloruro de vinilo plastificado (PVC-P). 

2.Degradación de las geomembranas impermeabilizantes de PVC-P

Las geomembranas de PVC-P son una de las tecnologías más utilizadas para la impermeabilización de estructuras subterráneas, debido a su trabajabilidad y soldabilidad. Se las reconoce como sistemas eficaces para lograr la calidad y el rendimiento a largo plazo requeridos por los estándares modernos (Dammyr et al., 2014). Además, estas geomembranas son flexibles en todas las temperaturas de la obra, excepto las más extremas, y, en consecuencia, son fáciles de adaptar a la geometría del sustrato. Las geomembranas de PVC-P, instaladas en rollos de aproximadamente 2 m, se sueldan en la obra para actuar como barrera al agua entre el revestimiento primario y el final. La base del sistema de impermeabilización se completa con una capa de regularización en el extradós de la geomembrana, con el fin de protegerla de los daños del sustrato (Luciani et al., 2018). Los diseños más avanzados tienen capas adicionales de PVC para protección en el intradós, geomembranas de impermeabilización dobles y mangueras de inyección. Estos protegen aún más la geomembrana de PVC-P de daños accidentales, aumentan la efectividad del sistema y permiten la reparación de fugas de agua mediante inyecciones, sin dañar el revestimiento y con menores tiempos y costos (Luciani y Peila, 2019). 

En el subsuelo se utilizan dos tipos de geomembranas de PVC-P: translúcidas y coloreadas. Las primeras garantizan la pureza del material (por la ausencia de pigmentos y cargas) y permiten al operario comprobar visualmente la soldadura y la presencia de material quemado (Mahuet, 1984). Por el contrario, las geomembranas coloreadas permiten detectar daños en la superficie mediante el uso de la capa de señal, es decir, la membrana está compuesta por dos capas de diferentes colores y por lo tanto, si la superficie se daña (por la caída de una herramienta o la instalación de una varilla de refuerzo) el color posterior se trasluce y permite realizar trabajos de reparación a tiempo antes del colado. 

En las geomembranas, la resina de PVC se utiliza en combinación con aditivos: plastificantes, rellenos, estabilizadores, pigmentos y otros. El más importante de los aditivos, y el más relevante en términos de cantidad, son los plastificantes. Se trata de una familia de polímeros diferentes que se utilizan para cambiar el comportamiento mecánico de la resina de un material rígido a uno similar al caucho (Hsuan et al., 2008; Wypych, 2015). Los plastificantes en las geomembranas de PVC-P representan aproximadamente el 25-35% del peso. No están unidos químicamente a las cadenas de PVC y, por lo tanto, pueden migrar fuera de la membrana. 

Este es uno de los principales fenómenos que afectan el comportamiento a largo plazo de las geomembranas. Su velocidad depende de la temperatura, las condiciones ambientales, la concentración de plastificante y el tipo de plastificante (Storey, Mauritz y Cox, 1989). Otros fenómenos de degradación, por ejemplo, fotooxidación, oxidación térmica, ataque biológico, por lo general no son relevantes en aplicaciones subterráneas. 

3.Estimación de pérdida de plastificante

El estudio de la pérdida de plastificante a largo plazo se suele realizar mediante ensayos de envejecimiento acelerado porque el proceso es muy lento y rara vez se dispone de datos procedentes del envejecimiento natural después de 30-40 años (Usman y Galler, 2014; Maehner, Peter y Sauerlaender, 2018), mientras que todavía no existen datos para tiempos más largos. Se realizan ensayos a temperaturas más altas para acelerar la pérdida de plastificante y luego los resultados se proyectan a largo plazo utilizando la ecuación de Arrhenius (Hsuan et al., 2008). Se han propuesto varios ensayos para simular diferentes condiciones de envejecimiento y Luciani (2019) desarrolló un dispositivo de prueba diseñado específicamente para reproducir las condiciones de impermeabilización de túneles. 

Sin embargo, se puede utilizar un enfoque diferente para analizar esta cuestión centrándose en el mecanismo físico que ocurre: la pérdida de plastificante es un problema de difusión y, por lo tanto, puede analizarse utilizando la ley de Fick. 

Esta ley, con las condiciones iniciales y de contorno correctas, se puede utilizar para analizar la concentración de plastificante en cada punto de la geomembrana en cada momento. El parámetro determinante es el coeficiente de difusión D, que describe a escala macroscópica todas las fuerzas químicas y físicas que frenan la difusión. El coeficiente de difusión se considera en muchos casos una constante, pero en el caso específico de los polímeros es una función de la temperatura, el tipo de plastificante y la concentración del mismo. 

Las condiciones a utilizar para integrar la ecuación de Fick para geomembranas son: flujo monodimensional (el espesor es mucho menor que en las otras direcciones), concentración inicial uniforme en la geomembrana, concentración fuera de la geomembrana siempre igual a 0 y ausencia de flujo en la superficie intradós, donde la ausencia de circulación de agua o aire inhibe la remoción del plastificante. 

4.Prueba de absorción de plastificante

4.1 Procedimiento de prueba

El coeficiente de difusión del plastificante se puede evaluar mediante ensayos de absorción del plastificante. Se cortan pequeñas muestras de geomembrana de superficie regular y conocida con un cortador hueco metálico, se limpian en la superficie, se secan en un desecador y se pesan. Luego, las muestras se sumergen totalmente en un tanque lleno de plastificante y se mide el aumento de peso con el tiempo. A partir de la tasa de aumento de peso se puede calcular el coeficiente de difusión (Griffiths, Krikor y Park, 1984; Storey, Mauritz y Cox, 1989). 

El procedimiento se ha repetido con el plastificante mantenido a cuatro temperaturas diferentes: 20°C, 45°C, 60°C y 75°C. 

4.2 Materiales probados

Se han probado dos geomembranas comerciales de PVC-P producidas por Mapei:

• una geomembrana coloreada de 2 mm, con relleno de carbonato de calcio y un contenido inicial de plastificante del 24,0% en peso;

• una geomembrana translúcida de 2mm, sin relleno y con un contenido inicial de plastificante del 26,7% en peso. 

Además, para analizar el efecto de la concentración de plastificante sobre la pérdida de plastificante, se han estudiado ocho formulaciones diseñadas y producidas específicamente (Tabla 1). Estos materiales tienen cuatro concentraciones de plastificante diferentes y están tanto con como sin relleno. El plastificante utilizado para producir todos los materiales es el mismo y es el utilizado en los ensayos de absorción. 

4.3 Resultados

Las pruebas realizadas sobre el mismo material a diferentes temperaturas muestran que la variación del coeficiente de difusión con la temperatura T se puede describir mediante la ecuación de Arrhenius como:

D = D 0 e -E/RT donde D 0 es una constante, E la energía de activación y R la constante del gas. Como era de esperar, las temperaturas más altas requieren coeficientes de difusión más altos. 

Del análisis de los ensayos realizados a los materiales a medida se ha obtenido la ley que correlaciona la concentración de plastificante CP en la geomembrana y el coeficiente de difusión como: 

D = D 1 C P b  donde D 1 y b son constantes. Esta ecuación muestra que, a medida que el plastificante se pierde y su concentración en la geomembrana se reduce, el coeficiente de difusión se reduce. La reducción del coeficiente de difusión se explica por la interacción interna entre las cadenas de PVC y el plastificante: a medida que la concentración de plastificante se reduce, la resina de PVC-P se vuelve más rígida y, por lo tanto, es más difícil para las moléculas de plastificante restantes moverse dentro de la membrana. Esto significa que la tasa de difusión se ralentiza con el tiempo. Este es un aspecto crucial porque evalúa que la extrapolación de Arrhenius comúnmente utilizada es demasiado conservadora ya que plantea la hipótesis de una tasa de reacción constante. Por el contrario, la tasa de reacción se reduce con el tiempo tanto debido a la reducción del gradiente de concentración de plastificante dentro y fuera del material como debido a la reducción del coeficiente de difusión. 

5.Discusión

5.1 Extrapolación a largo plazo

Conocido el coeficiente de difusión y su dependencia de la temperatura y la concentración de plastificante, la pérdida de plastificante puede evaluarse a lo largo del tiempo utilizando la ley de Fick en diferentes condiciones. Comparando los resultados obtenidos de las pruebas de absorción de plastificante con las pruebas de envejecimiento acelerado en los mismos materiales, las primeras dan una mayor pérdida de plastificante (Luciani, 2019). Esto se debe al hecho de que las pruebas de absorción de plastificante se realizan en condiciones de laboratorio en muestras perfectamente limpias y secas, que no son las condiciones reales en el sitio de trabajo, donde la presencia de superficie húmeda y sucia reduce la migración de plastificante. Los pocos casos de materiales envejecidos naturalmente reportados en la literatura (Usman y Galler, 2014; Maehner, Peter y Sauerlaender, 2018) confirman que las pruebas de absorción de plastificante sobreestiman parcialmente la pérdida de plastificante y, por lo tanto, pueden considerarse como un límite superior de la posible pérdida. 

Para evaluar el tiempo de fin de vida de una geomembrana, se debe definir un valor umbral. Se utiliza habitualmente, en ausencia de otros datos, el valor de 0,5 de índice de pérdida de plastificante, mientras que Luciani (2019), basándose en las propiedades mecánicas de las geomembranas de PVC-P estudiadas, sugiere un valor conservador de 0,45. 

La Figura 5 muestra la pérdida de plastificante con el tiempo evaluada a una temperatura de obra de 15°C (que es una temperatura típica para túneles urbanos). Ambas geomembranas comerciales estudiadas se encuentran dentro del valor umbral después de 100 años, lo que demuestra que la pérdida de plastificante no es suficiente en este lapso de tiempo para dañar la geomembrana de PVC-P. La geomembrana sin relleno se comporta mejor mostrando una pérdida de plastificante muy baja. 

5.2 Efecto del espesor de la geomembrana

Dado que el coeficiente de difusión no se ve afectado por el espesor de la geomembrana, se puede utilizar el mismo método para analizar el efecto del espesor en la pérdida de plastificante. 

Como ejemplo, la Figura 6 muestra la tasa de pérdida de plastificante a largo plazo de la membrana con relleno a 15 °C para diferentes espesores. Con el aumento del espesor, el efecto de la degradación se reduce, sin embargo, la variación no es constante: es relevante de 1 mm a 2 mm, mientras que es bastante despreciable de 2 mm a 3 mm. 

Dado que el espesor mínimo estándar requerido para las geomembranas es de 2 mm, aumentar el espesor no es muy efectivo en términos de retardar la pérdida de plastificante. Sin embargo, el aumento del espesor tiene un gran impacto en la reducción de la probabilidad de daño de las geomembranas debido a cargas puntuales durante la instalación. 

6.Conclusión

Los ensayos realizados permitieron evaluar el comportamiento de degradación a largo plazo de las geomembranas impermeabilizantes de PVC-P. Las dos geomembranas comerciales estudiadas siguen siendo eficaces después de 100 años y, por lo tanto, cumplen con los requisitos modernos para estructuras subterráneas. Las geomembranas sin relleno muestran una menor pérdida de plastificante con el tiempo. Un aumento en el espesor de una geomembrana tiene un impacto efectivo en la durabilidad para dimensiones muy pequeñas, mientras que para geomembranas entre 2 mm y 3 mm, hay una variación mucho menor en la durabilidad.

Fuente: Ky Nikitha 20 de enero de 2020

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