IMPERMEABILIZACION CON MANTAS ASFÁLTICAS POLIMERICAS EN OBRAS HIDRAULICAS AGRICOLAS

1. INTRODUCCION.

En el mercado mundial, ha sido utilizado notablemente el sistema de impermeabilización con mantas asfálticas en las obras de construcción civil, existiendo diversos segmentos aún no explorados en su potencialidad por parte de las industrias y ejecutores de impermeabilización, así también como por proyectistas, constructoras y organizaciones estatales.

Este documento pretende demostrar la viabilidad de la utilización de las mantas asfálticas polimerizadas con APP (polipropileno atático) en obras hidráulicas agrícolas, recuperación de obras ejecutadas en concreto, y aplicación directa sobre el suelo de la manta asfáltica.

También se pretende calificar las características del rendimiento del producto, observando las exigencias necesarias para su durabilidad.

2. MANTAS ASFALTICAS POLIMERICAS EN OBRAS HIDRAULICAS.

2.1. APLICACIONES GENERALES.

Las mantas asfálticas poliméricas han sido utilizadas en gran escala en todo el mundo para obras hidraúlicas, entre las cuales destacamos :

- Irrigación de nuevas tierras para volverlas cultivables.

- Conservación del agua en lagos para enfrentar períodos de sequía o de mayor demanda.

- Lagos para piscicultura.

- Lucha contra el proceso de desertificación que avanza en amplias zonas de nuestro planeta.

- Regularización de los cursos de agua para proteger inversiones industriales, agrícolas y civiles.

- Defensa de playas y ríos contra erosión y para conservación de los patrimonios culturales a lo largo de la costa.

- Lagunas de depósito de aguas de desechos industriales para evitar la contaminación del suelo y del nivel freático, bajo una exigencia ecológica mundial.

- Áreas de rellenos sanitarios y desechos sólidos para impedir la contaminación del nivel freático, acarreando sendos problemas de ecología.

- Formación de canales navegables de grandes dimensiones.

- Ejecución de diques conjuntamente con gaviones, en obras de hidroeléctricas, lagunas, etc.

2.2. APLICACION EN LA AGRICULTURA.

En particular, el problema de irrigación en regiones de clima caliente y árido, pobre en recursos hídricos, tomó en estos últimos años un gran crecimiento, sobretodo para posibilitar la exploración de tierras potencialmente fértiles, con inversiones relativamente limitadas.

La irrigación es indispensable para viabilizar el aprovechamiento de la fertilidad del suelo y para proporcionar alta productividad en las plantaciones.

La solución a estos problemas está ligada a la creación de pozas artificiales y canales de irrigación que frecuentemente deben ser ejecutados en terrenos porosos, donde es necesario intervenir con la ejecución de una impermeabilización.

2.2.1. Canales de Concreto

La utilización de concreto para el revestimiento de estas obras se ha tornado inviable por el alto costo inicial, por la permeabilidad al agua y por los problemas de la necesidad de la creación de juntas de dilatación y juntas de contracción térmica, que provocan grandes pérdidas de agua, erosión y degradación en un corto período de tiempo.

La permeabilidad de un concreto poroso es de 10-6 cm/seg. (CAIRONI - 1977) el que permite, con columna de agua de 5 metros, que el agua sobrepase los 8 cms. de espesor del concreto en apenas 4 horas.

Las deficiencias de permeabilidad del concreto y de las juntas de dilatación vienen provocando diversos problemas, acarreando altos costos de mantenimiento y tornando impracticable su utilización, dependiendo de las condiciones del suelo y de los rellenos, tales como :

- Suelos Colapsables : Suelos con estructura muy porosa, arenosos o arcillosos, bajo carga o en presencia de agua pueden entrar en colapso, y el macizo formado por las partículas de suelo pierde resistencia. La permeabilidad del concreto y el flujo a través de las juntas de dilatación y contracción, normalmente previstas a cada 3.5 m., provoca la erosión del suelo de la base del canal de concreto, descalzándolo, provocando su fisuramiento generalizado, causando inclusive la pérdida total del canal.

- Suelos Expansivos : Son los suelos arcillosos, teniendo en su composición minerales arcillosos expansivos, tipo montmorillonita. En presencia de agua se expanden, creando tensiones en el concreto, que provocan formación de grietas generalizadas, ya que el revestimiento de concreto no es armado y posee un espesor entre 7 y 8 cm.. Estas nuevas grietas provocan aumento de infiltración, la cual incrementa la expansibilidad del suelo y el problema se propaga exponencialmente.

- Trechos de Canales en Relleno : Para el mantenimiento de la pendiente prevista en el proyecto, está la necesidad de ejecutar rellenos compactados antes de realizar el revestimiento de concreto. Las infiltraciones de agua provocan una desestabilización del relleno, acarreando fisuras que agravan la situación de la pérdida de agua. Como

consecuencia de estas infiltraciones a través de las fallas en el concreto, es común el crecimiento de vegetación en el interior del canal, que crecen por las juntas y fisuras. Esta vegetación impide el libre paso del agua, disminuyendo considerablemente el flujo del canal previsto en el proyecto.

2.2.2. Revestimiento con Geomembrana de PVC

La utilización de membranas de PVC, en algunas obras de canales no presenta resultados satisfactorios por los siguientes motivos:

- Bajo espesor de la membrana (0.6 a 1.0 mm), por lo que está sujeta a perforación, rasgamiento, etc.

- Posibilidad de ser perforada por animales roedores, insectos.

- Ocurrencia de vandalismo, debido al robo de pedazos de estas membranas para ser utilizadas como cobertura de residencias de los moradores de la región.

- El PVC contiene aproximadamente 35% en peso de plastificantes (tipo bengilbutiflalato), con su consecuente migración a través del tiempo, en un 25%, por efectos del ataque de rayos ultravioletas, temperatura elevada, hongos, agentes químicos, etc.; provocando una fuerte contracción y pérdida de flexibilidad.

2.2.3. Geomembrana de Asfalto con Polímero de APP

Las mantas fabricadas de asfalto con polímeros de APP han sido utilizadas hace más de 20 años en obras agrícolas, habiendo obtenido un resultado satisfactorio, sobre todo por su factor costo-beneficio.

Las obras hidráulicas para recolectar y almacenar agua son esencialmente lagos y lagunas, construidas en tierra, revestidas ya sea con concreto o con mezcla bituminosa. Sus dimensiones varían desde unas decenas de metros en lagunas de modestos campos agrícolas, hasta miles de metros cúbicos en lagos artificiales que benefician a las grandes cooperativas agrícolas.

Desde el punto de vista ejecutivo, los lagos y lagunas artificiales pueden ser realizados excavando el terreno y usando el material resultante construyendo obras perimetrales en torno de las áreas pre-determinadas, para aumentar los niveles de los taludes.

Todas estas obras deben, obviamente, conservar agua, impidiendo que ella se desperdicie en el terreno circundante.

En el caso de obras en tierra, es importante realizar una impermeabilización que garantice la estanquidad del sistema, así como impedir flujos que provoquen erosión de los taludes, además de evitar la acción combinada de vientos formadores de ondas superficiales, que provocan también erosión en los taludes, sobre todo en obras hidráulicas de grandes extensiones.Similar importancia reviste la impermeabilización y protección de canales para transporte de aguas superficiales, colectadas de lagos o ríos; para irrigación de áreas a larga distancia, permitiendo tornar el suelo cultivable, así como adecuado para la crianza de ganado.

Para este propósito, se vuelve necesario revestir los tanques y canales con un sistema impermeable que tenga posibilidad de absorber movimientos anormales en el terreno.

La solución se debe reflejar en un sistema económico, de fácil aplicación y mantenimiento, de buena durabilidad; pues normalmente los fondos disponibles son escasos y necesitan de un retorno rápido del capital invertido, frente a grandes extensiones con necesidad de irrigación, promovidas por organismos estatales, agroindustriales y cooperativas.

Las mantas asfálticas poliméricas representan una de las soluciones más adecuadas y racionales, permitiendo una gran flexibilidad en sus aplicaciones, entre las que podemos nombrar:

- Revestimiento de canales de irrigación y lagunas de almacenaje, con las mantas aplicadas directamente sobre el suelo.

- Revestimiento de canales de irrigación y lagunas, ejecutados con concreto.

- Revestimiento, a nivel de mantenimiento, sobre canales y lagos que necesitan de reestructuración y recuperación, anteriormente ejecutados en concreto, que sufran degradación por pérdida de agua a través de las innumerables juntas de dilatación y por la propia porosidad del concreto.

3. ACCIONES A LAS QUE ESTAN SOMETIDAS LAS CONSTRUCCIONES HIDRAULICAS.

Las obras hidráulicas están sujetas a:

3.1. SOLICITACIONES MECANICAS.

Las construcciones hidráulicas son sometidas a presiones hidrostáticas y esfuerzos de depresión causados por turbinamiento, acarreo de materiales aluviales y arena, que provocan acciones como abrasión y erosiones superficiales.

Las variaciones de los niveles de agua, la variación de las cargas de soporte del suelo, las grandes oscilaciones de flujo del vaso de agua, y la velocidad elevada del agua, pueden ser también nocivas sobre el conjunto.

Las acciones mecánicas provocadas por vandalismo, o por animales, también deben ser consideradas, sobre todo en canales construidos con mantas sintéticas no adheridas y de pequeño espesor.

3.2. ACCIONES QUIMICAS Y BIOLOGICAS.

Normalmente las obras hidráulicas para contención y transporte de agua de lluvia o de ríos presentan sustancias químicas disueltas, que pueden corroer las estructuras de dichas obras.

La presencia de organismos vegetales en los bordes, que emergen por las juntas de los canales de concreto, así como por acción de algas y moluscos, favorecen la irregularidad de la superficie interfiriendo en la rugosidad y la velocidad del agua, con la consecuente disminución de la capacidad de flujo de agua.

3.3. AGENTES ATMOSFERICOS.

En una obra hidráulica, existe la acción del aire, viento, lluvias torrenciales, luz solar, variaciones térmicas elevadas (pudiendo alcanzar temperaturas de hasta 65°C, por absorción de calor), que generan tensiones mecánicas significativas, que provocan degradación de los elementos constructivos, especialmente a través de la fisuración del concreto, o de la acción concentrada de sales disueltas en la región de la variación de nivel.

Todos estos elementos, combinados, significan un constante trabajo de limpieza y mantenimiento con paralizaciones constantes y altos costos de conservación y rehabilitación de las obras hidráulicas.

4. REVESTIMIENTO IMPERMEABILIZANTE CON MANTAS ASFALTICAS POLIMERICAS.

Luego de este breve análisis de las solicitaciones y condiciones específicas, surge la necesidad de una solución de revestimiento impermeable que justifique el desempeño económico de esta operación.Actualmente, el revestimiento impermeabilizante para obras hidráulicas más confiables y durables está representado por el empleo de mantas prefabricadas de asfalto con polímero de APP, que poseen características adecuadas para su desempeño.

Las principales ventajas de estas mantas son:

- Resistencia al envejecimiento debido a la exposición al aire, rayos ultravioleta, e inmersión en agua en regiones donde existe formación de pozos de agua con concentración de sales disueltas. Es válido resaltar que dentro de los tipos de mantas asfálticas que se comercializan, las únicas con resistencia a los rayos ultravioleta son aquellas polimerizadas con APP (Polipropileno Atático), que fabrica VIAPOL. Las mantas polimerizadas con SBS y EVA no poseen buena resistencia a los rayos ultravioleta.

- Resistencia a la acción perforante de las raíces y vegetación presentes en las zonas limítrofes a las obras hidráulicas, debido a la presencia de aditivos inhibidores a la propagación de raíces.

- Buena elongación en el régimen elástico y buena deformabilidad en el régimen plástico para soportar la sedimentación y movimientos del subestrato.

- Buena resistencia al punzonamiento estático, permitiendo absorber los esfuerzos de pequeñas imperfecciones y piedras con aristas agudas.

- Buena resistencia al punzonamiento dinámico permitiendo soportar operaciones de mantenimiento y limpieza.

- Facilidad de aplicación y soldado de las juntas para garantizar la formación de una manta impermeable continua.

- Durabilidad de las juntas y de los refuerzos en puntos críticos.

- Adherido al concreto, imposibilita que sea retirado por acciones vandálicas.

- Adecuada para la aplicación directamente sobre el suelo, no necesitando de una base de concreto, no sólo de alto costo de ejecución sino también que presenta serios problemas de fisuración y baja impermeabilidad, sobre todo en las juntas de dilatación. Este problema se agudiza en zonas que presentan variaciones de temperatura elevadas, especialmente cuando las temperaturas mínimas son debajo de cero.

- Material imputrefactable, no permitiendo la formación de colonias de insectos ni bacterias.

- No tóxico para los animales, los seres humanos y los vegetales, que consuman el agua contenida en la obra hidráulica; no altera la potabilidad del agua.

- Rapidez y facilidad de aplicación, inclusive en regiones con pocas facilidades técnicas.

- Resistencia a las solicitaciones atmosféricas, variaciones importantes de temperatura, saponificación y congelación a altas temperaturas.

- Estabilidad dimensional, pues está fabricada con un geotextil de poliéster estabilizado con resinas.

- Resistencia a la erosión y abrasión provocadas por la turbulencia del agua o por sólidos en suspensión.

- Permite su aplicación por adhesión completa, parcial o directamente sobre el suelo dependiendo de las condiciones del terreno.

- Evita la formación de vegetación en la periferia del canal, resultando en una menor pérdida de carga y de velocidad.

- Reducción de los costos de mantenimiento.

- No es atacable por raíces de vegetación a través de las juntas estructurales del concreto de soporte, cuando se aplica sobre el mismo, o cuando se aplica directamente sobre el suelo.

- No necesita de equipos especiales y caros para su ejecución.

- Permite la utilización de mano de obra no calificada para su aplicación, cuando es asesorada por empresas especializadas en su utilización.

- Características de bajo costo inicial y de mantenimiento.

- Permite la ejecución de protección mecánica en caso de regiones con tránsito de ganado pesado.

- Producto fabricado por VIAPOL en Brasil, con tecnología adquirida de uno de los mayores especialistas de asfalto del mundo; la empresa Vetroasfalto S.P.A. de Italia, quién proporciona las dosificaciones para la elaboración de las mantas en las condiciones climáticas deseadas.

Todas las propiedades y características aquí explicadas indican una solución perfectamente adecuada, técnica y económica, para la utilización de las mantas asfálticas

en obras hidráulicas de alta responsabilidad y de resultados socio-económicos plenamente satisfactorios.

5. CARACTERISTICAS TECNICAS DE LAS MANTAS PREFABRICADAS DE ASFALTO POLIMERICO.

5.1. APLICACION SOBRE SUBESTRATO DE CONCRETO Y DIRECTAMENTE SOBRE EL SUELO.

Mantas industrializadas con asfalto modificado con polímeros de APP (Polipropileno Atático), de características especialmente adecuadas para su incorporación al asfalto, estructuradas con una membrana geotextil de filamentos continuos de poliéster, entrelazados a través de un proceso de agujado, previamente estabilizado con resinas, con características específicas para incorporarle resistencia y estabilización físico - mecánica al sistema. Esto se logra a través de un equipo de impregnación y rodillado a temperaturas de 200° C. Poseen en su fórmula asfáltica un componente herbicida inhibidor de raíces.

5.2. CARACTERISTICAS TECNICAS.

Las características técnicas que deben considerarse para la evaluación de una manta impermeable son:

EspesorPesoResistencia a la Tracción LongitudinalResistencia a la Tracción TransversalElongación en la Ruptura LongitudinalElongación en la Ruptura TransversalResistencia al Desgarre LongitudinalResistencia al Desgarre TransversalResistencia al Punzonamiento EstáticoResistencia al ImpactoFlexibilidad a Baja TemperaturaEscurrimiento al CalorAbsorción de AguaRelación Carga Deformación

6. TECNICAS DE APLICACION EN CANALES DE IRRIGACION.

6.1. CANALES DE CONCRETO NUEVO.

Para sustituir la necesidad de control de las innumerables juntas de dilatación que normalmente poseen bajo durabilidad y desempeño, y alto costo/beneficio, y también para impedir la pérdida de agua a través de las porosidades del concreto, es recomendable la ejecución de la impermeabilización del canal con manta asfáltica, estructurada con alma de poliéster, adherida o parcialmente adherida sobre el concreto, conforme la siguiente metodología:

- Ejecutar la limpieza general del concreto, retirando las partes dañadas, y las imperfecciones del concreto que puedan causar esfuerzos de punzonamiento en la manta de asfalto elastomérico.

- Todas las variaciones de ángulos deberán ser redondeadas con un diámetro no inferior a 8 cm.

- Sobre el concreto seco, aplicar una mano de solución asfáltica de imprimación. Aguardar el secado por 2 a 4 horas, dependiendo de las condiciones ambientales.

- Opcionalmente, aplicar una faja de 30 cm. a lo largo de las juntas de dilatación transversales, dejándola ligeramente suelta para un mejor acompañamiento de las deformaciones térmicas y de acomodación del canal de concreto.

- Luego de la ejecución de los refuerzos en los puntos críticos, colocar la manta asfáltica a lo largo del canal, en fajas transversales en relación al largo del canal, pegando la manta sobre el concreto utilizando la llama del soplete a gas.

- La sobreposición de las mantas debe ser de 10 cm., en el sentido del flujo del canal.

- Luego de la aplicación de la manta, y si existe la posibilidad de tráfico en los bordes del canal, es recomendable la ejecución de una protección mecánica en esos tramos, con mortero de cemento y arena 1:4 y un espesor de 4 cm.

- Es recomendable la utilización de una manta con acabado de arena en la cara superior (arenado) para una mejor protección contra la incidencia de los rayos ultravioleta.

- Se deben tomar los cuidados necesarios para evitar la perforación de la manta asfáltica cuando se realicen los trabajos de limpieza periódica de los canales de irrigación; se recomienda realizar la limpieza con chorro de agua a alta presión.

6.2. RECUPERACION DE CANALES DE CONCRETO.

Las mantas asfálticas poliméricas de APP son recomendadas para la recuperación y rehabilitación de canales de concreto, que han sufrido alguna degradación. El proceso de aplicación es semejante a la aplicación sobre el concreto nuevo.

- Ejecutar una limpieza rigurosa del canal de concreto, retirando toda la vegetación, incrustaciones de micro organismos y arcilla, pudiéndose utilizar en esta operación equipo de chorro de agua a alta presión y equipos mecánicos.

- Ejecutar una minuciosa revisión de toda la sección del canal de concreto, localizando las fisuras, desagregación de concreto, retirando también las incrustaciones y vegetación que pudieran existir en las juntas de dilatación.

- Si se encontrara crecimiento de vegetación o raíces en el interior de las juntas, es recomendable la aplicación de un herbicida a lo largo de ellas, impidiendo así el surgimiento de nueva vegetación en el interior.

- Todas las fallas e irregularidades detectadas en el concreto deberán ser repasadas cuidadosamente, con la utilización de un mortero de cemento y arena 1:3. Estas reparaciones deberán ser precedidas de una buena hidratación del concreto base, para tener una adecuada adherencia.

- En las reparaciones de las juntas y las fisuras de pequeño espesor, es recomendable adicionar al mortero un aditivo en una relación 1:2 en relación al agua de mezcla.

- Todas las reparaciones ejecutadas deberán ser hidratadas, para su adecuado curado, de manera de evitar fisuras por contracción o secado.

- Luego de la ejecución de las reparaciones, se colocará la manta, conforme a lo descrito en 6.1.

6.3. CANALES EXCAVADOS DIRECTAMENTE EN EL SUELO.

Para la colocación de las mantas directamente sobre el suelo, es necesario un estudio geológico preliminar para el conocimiento de su naturaleza, con el fin de certificar las metodologías adecuadas para la aplicación de la manta de asfalto polimérico, así como un estudio de niveles de cota para el correcto flujo de agua.

- Se deben estudiar las dimensiones de la sección del canal en función de las necesidades del flujo y la velocidad de escurrimiento.

- Se debe preparar un molde de madera o metal con las medidas de la sección trapezoidal del canal.

- Se debe ejecutar la excavación del canal utilizando el molde para mantener las dimensiones correctas de la sección del canal. Luego proceder a la eliminación de los materiales puntiagudos, piedras, raíces, etc., que pudieran surgir de manera punzante sobre la manta asfáltica polimérica.

- Proceder luego a la compactación del suelo y alisamiento del terreno, de modo de nivelar la superficie, obteniendo un sub-estrato de sólida consistencia y adecuada pendiente.

- Se debe excavar, a cada lado del canal, trincheras perimetrales para el anclaje de la manta. Las dimensiones de estas trincheras, así como su distancia al borde del canal, se definirán dependiendo del canal en cuestión. Podrán utilizarse también otras formas de fijación lateral.

- En suelos de baja cohesión, podrá ser necesaria la ejecución de una sub-base de suelo-cemento.

- En caso que se verifique la existencia de razonable cantidad de raíces en la sección excavada, se deberá promover la aspersión de herbicida en el suelo, de alto poder residual, antes de la aplicación de la manta asfáltica.

- Se cortarán las mantas asfálticas del tamaño adecuado para su desenvolvimiento en la sección del canal, en el sentido transversal, efectuándose una sobreposición por traslape de 10 cm., que se pegará calentándola con soplete a gas.

- Ejecutar luego el anclaje de la manta en las trincheras perimetrales, pudiendo utilizarse para la fijación de la manta y el relleno de la trinchera, concreto pobre, piedra, suelo-cemento o suelo compactado.

- Se debe realizar un adecuado remate de las salidas de distribución o escurrimiento del agua, para evitar las infiltraciones o el despegue de la manta.

- Si existiera tránsito de personas o animales en las secciones laterales del canal, se debe ejecutar una protección mecánica con mortero de cemento y arena. En el caso que el canal pase por terrenos de pastos, puede ocurrir que la manta sea perforada por los cascos de animales de gran tamaño. En este caso, se puede proteger mecánicamente la manta con mortero de cemento y arena, o también, colocar un cerco de alambre paralelo al canal.

- En suelos de baja capacidad de soporte, susceptible a deformaciones, podrá colocarse una zanja en el fondo y las paredes del canal, utilizando un pedazo adicional de manta para permitir un reacomodo de la manta impermeabilizante, de manera de evitar que ésta trabaje a tensión.

- Se deberán tomar los cuidados necesarios para evitar la perforación de la manta cuando se realice la limpieza periódica en los canales de irrigación.

- Es recomendable la utilización de la manta asfáltica con acabado de arena (arenado) en la parte superior, para una mejor protección contra los rayos ultravioleta.

7. CONCLUSION.

Las obras realizadas a lo largo de más de 20 años en el mundo, han demostrado la viabilidad técnico-económica de la geomembrana de asfalto con polímeros de APP.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA CANALESREVESTIDOS CON MANTAS ASFALTICAS POLIMERICAS

El diseño de canales revestidos con mantas asfálticas poliméricas (TORODIN HYDROS) no se aparta de los métodos convencionales de la hidráulica de canales. Es decir, se utilizan las fórmulas de Manning para el dimensionamiento del canal, considerando el coeficiente de rugosidad de la manta impermeabilizante. El caudal que circulará por el canal se calcula entonces con la siguiente expresión:

donde :Q = caudal (m3/seg).S = pendiente del canal.n = coeficiente de rugosidad.A = área de la sección hidráulica (m2).P = perímetro mojado (m).

Para canales de sección trapezoidal:

donde : b = ancho en la base.h = tirante de agua.t = talud de las paredes del canal t:1 (H:V).

Según V. T. Chow ("Hidráulica de los Canales Abiertos"), el valor promedio del coeficiente de rugosidad "n" de Manning, para revestimiento de asfalto es :

TIPO n

Asfalto liso Asfalto rugoso

0.0130.016

Para el caso de las mantas impermeabilizantes TORODIN HYDROS, se recomienda utilizar un coeficiente de rugosidad "n" que varíe entre 0.013 y 0.015.

Q = A S

P n

5/ 3 1/ 2

2/ 3

A = b h + t h2P = b + 2 h 1+ t2