Geosintéticos y sus aplicaciones, ¡siempre hay algo que no sabes! (parte 1)

1.Introducción

La tecnología de suelos reforzados con geosintéticos es una nueva tecnología geotécnica, pero se ha desarrollado rápidamente. Debido a su estructura razonable, buenas condiciones de estrés, construcción simple y beneficios significativos, es ampliamente utilizado en varios proyectos de relleno. Utiliza polímeros sintéticos, como plásticos, fibras químicas, caucho sintético, etc., como materias primas para fabricar diversos tipos de productos, que se colocan dentro del suelo, en la superficie o entre capas de suelo para fortalecer o proteger el suelo.
El refuerzo es una técnica de colocar una cierta barra de alto módulo de tracción en una dirección determinada en el suelo para aumentar la resistencia al corte, la resistencia a la tracción y la integridad del suelo. Los principales materiales de refuerzo son geotextiles, geomallas, etc. Los geotextiles para refuerzo son generalmente geotextiles tejidos. Las principales áreas de aplicación de la tecnología de refuerzo son: el refuerzo de cimientos de suelos blandos, la construcción de pendientes pronunciadas sobre cimientos estables y la construcción de estructuras de contención.

Visión general del desarrollo de materiales compuestos de suelo.

2.1 Derivado del nombre de Geosintéticos

El término “geosintéticos” proviene de la combinación de dos palabras: “geo”, que significa “tierra” o “relacionado con la tierra”, y “sintético”, que se refiere a materiales creados artificialmente. Por lo tanto, “geosintéticos” se refiere a materiales sintéticos utilizados en aplicaciones relacionadas con la ingeniería geotécnica, como la construcción de carreteras, control de erosión, gestión de aguas, y refuerzo de suelos, entre otros.

Estos materiales incluyen diferentes tipos, como geotextiles, geomembranas, geoceldas, geocompuestos, y otros, cada uno diseñado para cumplir funciones específicas en proyectos de construcción y manejo de suelos.

2.2 Resumen del desarrollo internacional de geomateriales

El desarrollo internacional de geomateriales, que incluye productos como geotextiles, geomembranas, geoceldas, y geocompuestos, ha experimentado un crecimiento significativo en las últimas décadas, impulsado por la necesidad de soluciones sostenibles y eficientes en ingeniería civil y ambiental. A continuación, se presenta un resumen del desarrollo en esta área:

1. Evolución Tecnológica

• Primera Generación (Años 70-80): Los geomateriales comenzaron a desarrollarse a partir de los años 70, inicialmente con productos como geotextiles no tejidos, utilizados principalmente en drenaje y control de erosión. La primera generación de estos materiales se centró en aplicaciones básicas como la separación de suelos y refuerzo.
• Segunda Generación (Años 90-2000): Durante esta etapa, la tecnología avanzó significativamente con la introducción de geomembranas para aplicaciones de contención, como en rellenos sanitarios y lagunas de tratamiento. Los geocompuestos, que combinan varias funciones (como drenaje y barrera), también comenzaron a ganar popularidad.
• Tercera Generación (2000 en adelante): Esta fase ha visto la integración de tecnología avanzada en la producción de geomateriales, como geoceldas y geomallas de alto rendimiento. La innovación en materiales, como la incorporación de polímeros reciclados y biocompatibles, ha permitido mejorar la durabilidad y sostenibilidad.

2. Aplicaciones y Expansión Global

• Infraestructura Civil: Los geomateriales se utilizan ampliamente en la construcción de carreteras, aeropuertos, ferrocarriles y puertos. Geotextiles y geoceldas son fundamentales en la estabilización de suelos y en la construcción de bases y subbases.
• Gestión Ambiental: En la gestión de residuos, los geomateriales, como geomembranas y geocompuestos, se utilizan en la construcción de barreras impermeables en rellenos sanitarios, protegiendo el medio ambiente de la contaminación.
• Desastres Naturales y Cambio Climático: El uso de geomateriales en la mitigación de desastres, como deslizamientos de tierra y erosión costera, ha aumentado. Además, su aplicación en la infraestructura de adaptación al cambio climático, como en diques y sistemas de drenaje urbano, es crucial.

3. Mercado y Desarrollo Regional

• América del Norte y Europa: Estos mercados han sido pioneros en la adopción y desarrollo de geomateriales, impulsados por normativas ambientales estrictas y una infraestructura avanzada.
• Asia y América Latina: En las últimas dos décadas, estas regiones han mostrado un crecimiento acelerado en el uso de geomateriales, impulsado por la urbanización rápida y la necesidad de mejorar la infraestructura. China e India, en particular, han visto un auge en la producción y uso de geomateriales.
• África y Medio Oriente: Aunque más rezagadas, estas regiones están comenzando a adoptar geomateriales, especialmente en proyectos de infraestructura y manejo de recursos hídricos.

4. Innovación y Sostenibilidad

• Nuevos Materiales: La investigación se ha centrado en el desarrollo de geomateriales más sostenibles, como geotextiles biodegradables y geomallas de fibras naturales. Además, la reutilización de plásticos reciclados en la producción de geomembranas y geoceldas está en aumento.
• Normativas y Certificación: A nivel internacional, el desarrollo de estándares y certificaciones ha sido crucial para asegurar la calidad y seguridad en el uso de geomateriales. Organizaciones como la ASTM y la ISO han establecido normas que guían la fabricación y aplicación de estos productos.

En resumen, el desarrollo internacional de geomateriales ha avanzado significativamente, con innovaciones tecnológicas que han ampliado sus aplicaciones y mejorado su sostenibilidad. La expansión global ha sido desigual, pero regiones en desarrollo están incrementando su adopción de estos materiales para mejorar su infraestructura y enfrentar desafíos ambientales.

2.3 Resumen del desarrollo de materiales geotécnicos en China

El desarrollo de la aplicación de los geosintéticos en mi país se puede dividir en cuatro etapas.

• Período de solicitud espontánea

Ya en la década de 1960, el área de riego de Dayuzhang en la provincia de Shandong y el canal People’s Shengli en Henan usaban películas plásticas como canales antifiltración y luego se popularizaron para la prevención de fugas en piscinas y embalses;
En 1965, la central hidroeléctrica de Liaoning Huanren usó una membrana bituminosa de cloruro de polivinilo para evitar grietas y fugas en la cara aguas arriba de la presa de contrafuerte de hormigón;
En 1976, los caballos de Jiangduxi en la orilla del río Yangtze en Jiangsu se pesaron con geotextiles de seda planos combinados con bloques de concreto para hacer plomos suaves para evitar el colapso de la orilla del río;
La característica de este período es que el material se aplica en proyectos individuales, no se utilizan productos con ciertas especificaciones ni métodos de diseño estereotipados.

• El período de introducción de la tecnología.

A principios de la década de 1980, la Academia de Ciencias del Hierro usó 20 000 metros cuadrados de geotextiles no tejidos donados por DuPont para tratar de controlar la enfermedad del lodo en los ferrocarriles. La introducción de geotubos y localización por Wuxi Woolen Dyeing Factory. En 1983, se introdujeron la tecnología reforzada y la geomalla reforzada. A mediados de la década de 1990, había investigado y producido productos localizados por su cuenta.

• El período en que se estableció la organización

En 1983, se estableció International Geotextiles of Society (IGS para abreviar), y en 1994 pasó a llamarse International Geosynthetics of Society (todavía abreviado como IGS).
A fines de 1984, se estableció la “Red de cooperación de información sobre ciencia y tecnología de geotextiles”.
En 1986, pasó a llamarse “Red de colaboración de tecnología de geosintéticos” (CTAG para abreviar)
En 1990, China se unió oficialmente a la “Sociedad Internacional de Geosintéticos” (CIGS) y estableció el “Comité de China de la Sociedad Internacional de Geosintéticos” (CCIGS);
Desde 1986, ocho Conferencias Académicas Nacionales de Geosintéticos se han llevado a cabo sucesivamente en Tianjin, Shenyang, Yizheng, Yichang, Xi’an y Shanghai.
En 1995, se estableció formalmente la “Asociación Técnica China sobre Geosintéticos” (todavía conocida como CTAG).

• Entrar en el período de estandarización

Durante la catastrófica inundación de 1998, los líderes nacionales y los líderes de varios departamentos reconocieron el importante papel de los geosintéticos en el control de inundaciones y el rescate de emergencia;
El Ministerio de Recursos Hídricos tomó la delantera en la compilación de las especificaciones técnicas para la aplicación de geosintéticos SL/T225-1998 “Especificaciones Técnicas para la Aplicación de Geosintéticos en Conservación de Agua e Ingeniería Hidroeléctrica”, poniendo fin al estado de falta de estándares en mi país;
Posteriormente, se publicaron las normas nacionales y las normas técnicas industriales para ferrocarriles, carreteras y transporte acuático;
Siguen los estándares de productos y los estándares de prueba de materiales.
A fines de 1998, los geosintéticos y la tecnología entraron en un período de estandarización.

3.Tipos y características de los geosintéticos

3.1 Tipos de materiales geosintéticos

Características de los polímeros geosintéticos (materias primas)

Nombre	Características
Polietileno (PE)	Buena flexibilidad, ductilidad, transparencia, resistencia al frío, procesabilidad
Neoprene (CR)	Polypropylene (PP)
Polyvinyl chloride (PVC)	Alta resistencia, resistencia al desgaste, retardante de llama, mala estabilidad térmica, fácil de envejecer
Poliéster (PET)	tiene la mejor resistencia y dureza entre los plásticos de dureza térmica, buena transmisión de luz, resistencia a ácidos y álcalis, soluble en agua de amoníaco
Poliamida (PA)	La mayor resistencia entre las fibras sintéticas, resistente al desgaste, no inflamable, resistente a los álcalis y resistente a los ácidos
Poliestireno (PS)	Resistencia química, buena resistencia al agua y aislamiento eléctrico, no resistente al calor y fácil de envejecer
Neopreno (CR)	Resistencia al aceite, resistencia a ácidos y álcalis, alta resistencia a la tracción y estanqueidad al aire, mala estabilidad de almacenamiento

(1) Geotextile

El geotextil, también conocido como (tela geotextil o membrana geotextil), se refiere a las membranas para ingeniería civil que se tejen con fibras sintéticas o se fabrican con procesos no tejidos como la cementación, la unión térmica o el punzonado con aguja.

El geotextil no tejido generalmente contiene enlaces térmicos, enlaces químicos y enlaces mecánicos.
Spunbond es un tipo de método de unión. Es un producto formado por la fusión, extrusión e hilado de materias primas poliméricas en una red y fibras de refuerzo. Este tejido es delgado en espesor, de alta resistencia y alta permeabilidad. Debido al corto proceso de fabricación, buena calidad del producto, muchas variedades y especificaciones, bajo costo y amplia aplicación, se ha desarrollado rápidamente en mi país en los últimos años.

El método de unión química del geotextil consiste en aplicar uniformemente el adhesivo a las fibras a través de diferentes procesos. Después de curar el adhesivo, las fibras se adhieren entre sí, de modo que la malla se puede reforzar y el grosor puede alcanzar los 3 mm. Los adhesivos de uso común son acetato de polivinilo, acetato de polivinilo, etc. El laminado también se puede realizar antes de la aplicación del adhesivo, lo que da como resultado productos más delgados y de tamaño de poro más pequeño. Dichos productos rara vez se utilizan en ingeniería.

El método de unión mecánica utiliza diferentes herramientas mecánicas para reforzar la red de fibra. El método más utilizado es el método de perforación con aguja, así como el método de encaje hilado. El método de punzonado con agujas utiliza muchas agujas con secciones transversales triangulares o prismáticas y ganchos a los lados montados en la placa inferior de la punzonadora, que son impulsadas por la máquina para moverse alternativamente hacia arriba y hacia abajo, de modo que las fibras de la red queden se enredan entre sí, de modo que la red se refuerza. . El grosor del producto es generalmente más de 1 mm, la porosidad es alta, la permeabilidad es grande y el rendimiento de la filtración inversa y el drenaje es bueno. Es ampliamente utilizado en proyectos de conservación de agua. Spunlace es el uso de chorros de agua a alta presión para disparar la red de fibra, de modo que las fibras se enredan entre sí y se fortalecen. Sus productos son relativamente blandos y se utilizan principalmente como productos sanitarios, pero no se han utilizado en ingeniería.

(2) Geomembrana

La geomembrana es un material básico impermeable con buenas propiedades antifiltración y antifugas. Es ampliamente utilizado en presas, terraplenes, esclusas, obras subterráneas, ataguías, vertederos y otros proyectos.

El papel de la geomembrana: filtración, drenaje, antifiltración, protección del suelo, resistencia a lodos subterráneos; para evitar que las capas superior e inferior se mezclen, de modo que la distribución local de la carga se distribuya uniformemente La tecnología de aplicación de geomembrana radica en:

①Material apropiado
② Diseño de estructura razonable de capa anti-filtración
③ Construcción correcta y estricta

Medidas para mejorar el desempeño de la geomembrana y reducir costos:
(1) La incorporación de negro de carbón puede mejorar la capacidad de resistir la luz solar y los rayos ultravioleta, y puede retrasar el envejecimiento;
(2) La incorporación de sales de plomo, bario, calcio y otros derivados puede mejorar la resistencia al calor y la estabilidad a la luz del material;
(3) La incorporación de lubricantes como el talco puede mejorar la operabilidad;
(4) La incorporación de bactericidas puede prevenir la destrucción bacteriana, etc.

(3) Geomalla

La geomalla es un material de malla plana con malla de celda abierta y alta resistencia formada por estiramiento direccional de materiales poliméricos poliméricos.

Características: alta flexibilidad, ductilidad, resistencia a la fatiga, resistencia a la corrosión química del suelo y las aguas subterráneas, resistencia al moho, buena interconexión con rellenos La geomalla se utiliza principalmente para reforzar el suelo y es una aplicación de ingeniería Una amplia gama de materiales reforzados.

Aplicaciones de geomallas:
①Se utiliza para el refuerzo de cimientos de suelos blandos, aumentando la resistencia al corte de los cimientos, mejorando la capacidad de carga de los cimientos y promoviendo el asentamiento uniforme de los cimientos;
② Se puede usar para reforzar la pendiente de los cimientos, y la pendiente pronunciada se puede establecer en 1: 1.5 para lograr el propósito de una menor ocupación de la tierra y evitar la erosión del agua;
③ En la unión de la mitad de la excavación y la mitad del relleno, la excavación y el relleno, o la ampliación de la calzada, colocar geomallas en la unión de la antigua y la nueva calzada puede reducir el asentamiento desigual;
④ También se puede utilizar para el pavimento para reducir las grietas del pavimento (principalmente en la superficie inferior de la base) y la profundidad de los surcos (principalmente en la superficie superior de la base) para prolongar el período de mantenimiento de la superficie de la carretera y reducir el espesor de la superficie de la carretera
⑤ Se utiliza para la parte posterior del pilar del puente u otras estructuras artificiales para evitar el asentamiento de la parte de relleno, a fin de reducir el fenómeno de salto.

(4) Geosintéticos compuestos

Los geosintéticos compuestos son productos que combinan dos o más geosintéticos. Estos productos combinan las propiedades de cada material combinado para satisfacer las necesidades específicas del proyecto.

Los diferentes proyectos tienen diferentes requisitos funcionales integrales, por lo que existen muchas variedades de materiales geotécnicos compuestos, que se dividen principalmente en dos categorías: geomembrana compuesta y material de drenaje compuesto.

La geomembrana compuesta es un producto que combina geomembrana y geotextil (incluyendo formas tejidas y no tejidas). O materiales geotécnicos compuestos como materiales reforzados. Tiene muchas funciones y un gran potencial de desarrollo. Debido al efecto del refuerzo de tela, la membrana compuesta tiene tanto las características de la tela como las características de la membrana, y la resistencia al estallido, desgarro y perforación es mucho mayor. La tasa de deformación de la membrana y la resistencia de la tela tienen prioridad en el diseño.

Las ventajas de la geomembrana compuesta:

• ①Compuesto con geotextil tejido, la geomembrana se puede reforzar y la membrana protectora no se dañará por fuerzas externas durante el transporte o la construcción;
• ②El compuesto de geotextil no tejido no solo proporciona refuerzo y protección a la membrana, sino que también desempeña el papel de drenaje y escape, y al mismo tiempo mejora el coeficiente de fricción de la superficie de la membrana.

Tipos de materiales de drenaje compuestos:

Material de drenaje compuesto por tablero de drenaje de plástico, tela no tejida y tubería de malla de plástico;

Material de drenaje compuesto por tela no tejida, material de núcleo y geomembrana;

Materiales de drenaje compuestos por telas no tejidas, mallas y geomembranas;

Telas no tejidas, tuberías de drenaje de material central, etc.

La tubería de drenaje blando, también conocida como manguera de filtración, está hecha de un anillo de alambre de acero de alta resistencia como pared de soporte + material de envoltura de la pared de la tubería (con las funciones de filtración inversa, permeabilidad al agua y protección).

(5) Geosintéticos especiales

• (1) Geotubo

El geotubo es un material similar a una bolsa continuo (o separado) hecho de tela de fibra química de polímero de doble capa, que se puede usar en lugar del encofrado. Una bomba de alta presión se usa comúnmente para penetrar el concreto o mortero en el geotubo y finalmente formar un material similar a una placa u otra forma. Se utiliza principalmente para la ingeniería de fregado.

• (2) Geored de Drenaje

Geonet es un material geosintético plano similar a una malla prensado a partir de tiras de material sintético o resinas sintéticas, cuyo rendimiento puede variar debido al tamaño, la forma, el grosor y los métodos de fabricación de la malla.

Las características principales de la geored son baja resistencia a la tracción y alta elongación; el enclavamiento entre la geored y el relleno de la subrasante puede aumentar la resistencia al corte de la subrasante; controlar la deformación de la base; Evitar la pérdida de la capa superior del suelo en la pendiente de la subrasante.

Geonets (geonet) para protección de taludes, plantación de césped y refuerzo de cimientos blandos

Se utiliza en el tratamiento de cimientos blandos, refuerzo de firmes de carreteras, protección de taludes, refuerzo de estribos de puentes, protección de taludes costeros, refuerzo de fondos de embalses y otros proyectos. Colocar georedes en las pendientes de las carreteras puede evitar que las rocas se deslicen y causen daños a personas o vehículos; envolver el balasto con georedes puede evitar la pérdida de balasto y la deformación de la calzada, y mejorar la estabilidad de la calzada; colocar georedes puede fortalecer la superficie de la carretera para evitar el desarrollo de grietas de reflexión; como material de refuerzo en el relleno del muro de contención, la geored puede dispersar la tensión del suelo, limitar el desplazamiento lateral y mejorar la estabilidad; la geored se utiliza para fabricar gaviones para presas y superficies rocosas. protección contra la erosión, los deslizamientos de tierra y la erosión del suelo.

(3) Geocelda

Las geoceldas son estructuras tridimensionales con forma de panal hechas de polímeros que se pueden plegar para transportarlas y almacenarlas y luego abrirlas para su uso durante la construcción.

Características: la geocelda abierta puede mantener su forma sin cambios y llenarla con tierra. Debido a la restricción del desplazamiento lateral del suelo por la celda, la rigidez y la resistencia del suelo pueden mejorarse considerablemente. Es ampliamente utilizado en el refuerzo de cimientos de suelos blandos y en la ingeniería de protección.

3. Índice característico de los geosintéticos

• Indicadores característicos
  (1) Indicadores físicos: espesor, apertura equivalente, etc.;
  (2) Indicadores mecánicos: resistencia a la tracción, alargamiento, resistencia al desgarro, resistencia a la sujeción, resistencia a la expansión, etc.;
  (3) Índice de características hidráulicas: permeabilidad, índice de obstrucción, flujo de agua e índice antifiltración
  (4) Características de la interfaz: el coeficiente de fricción del suelo y los geosintéticos y las características de interacción de la interfaz
  (5) Propiedades reológicas: coeficiente de reducción de la resistencia a la fluencia, índice característico de resistencia a la fatiga a largo plazo.
  (6) Características de envejecimiento: factor de reducción de la intensidad de envejecimiento ultravioleta, índice de resistencia a la corrosión química, índice de impacto de congelación-descongelación y seco-húmedo, etc.

2. Medidas antienvejecimiento
(1) Factores que afectan el envejecimiento de los geosintéticos:
Oxidación térmica causada por el calor y la temperatura;
Fotooxidación por rayos ultravioleta a la luz del sol;
Erosión química y biológica, efectos secos y húmedos, cambios de hielo-deshielo y desgaste mecánico, etc., entre los cuales la fotooxidación tiene un fuerte efecto destructivo;
(2) Medidas para retrasar el envejecimiento de los geosintéticos:
Agregar agentes antienvejecimiento, como una cantidad adecuada de antioxidantes, estabilizadores de luz y negro de carbón oscuro, a las materias primas para resistir los efectos de la luz, el oxígeno, el calor y otros factores externos en el material;
Tomar medidas de protección en el proyecto, como minimizar el tiempo de exposición de los materiales a la luz solar, cubrir con tierra de roca o agua profunda, etc.

Este artículo se centra en la descripción general del desarrollo y los tipos comunes de geosintéticos. El próximo artículo explicará la aplicación y los casos de geosintéticos, así que permanezca atento.

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