Depsito de Ripios Lixiviados Caracterizacin interfaz de materialgranular y geomembranaHeap Leach Dump Granular material and geomembrane interfacecharacterization

Edgar Bard, Ph.D1, Jos Campaa1 & Hugo Garrido21 Ingeniero Civil, ARCADIS GEOTECNICA; 2 Ingeniero Metalrgico CODELCO-CHILE

AbstractIn order to evaluate the stability of a 110-meter high heap leach dump, built on a slope with a 5% mean steepness,which will be subjected to a secondary leaching process, it was necessary to determine the mechanical propertiesof the interfaces constituted by the foundation, a geomembrane and the dumped materials. A test program wasdeveloped aimed to evaluate the shear strength of interfaces constituted by granular materials with smooth andrough PVC, LLDPE, VFPE, VLDP, and HDPE geomembranes of different thickness, in addition togeomembrane/geotextile composites. Large scale direct shear tests were performed using 0.3x0.3m2, 0.45x0.45m2,and 0.6x0.6m2 test specimens with interfaces that reproduced the type of materials, density, and level of stressesfound on site. The material deposited is a crushed sandy gravel, with maximum grain size of 50.8 mm (2 inch).

ResumenPara evaluar la estabilidad de un depsito de ripios lixiviados de 110 m de altura, construido sobre una superficiecon un 5% de pendiente media, que ser sometido a un proceso de lixiviacin secundaria, fue necesario determinarlas propiedades mecnicas de las interfaces constituidas por el suelo de fundacin, una geomembrana y losmateriales depositados. Con tal objeto, se desarroll un programa de ensayos destinado a evaluar la resistencia alcorte de la interfaz constituida por materiales granulares con geomembranas de PVC, LLDPE, VFPE, VLDP yHDPE, lisas y texturadas, de diferentes espesores, adems de compuestos de geomembranas/geotextil. Seefectuaron ensayos de corte directo a gran escala, utilizando probetas de 0.3x0.3m2, 0.45x0.45m2 y 0.6x0.6 m2, endonde se reprodujeron las condiciones de terreno en cuanto a tipo de materiales, densidades y nivel de tensiones.El mineral depositado clasifica como una grava arenosa chancada, con un tamao mximo 50.8 mm (2).

1

INTRODUCCION

El artculo presenta los resultados de estudiosdesarrollados para el diseo geotcnico de undepsito de mineral lixiviado, el cual en su etapafinal alcanzar una altura mxima del orden de110 m. Este depsito se emplaza en el desierto deAtacama, al norte de Chile, sobre una superficiecon una pendiente media de 5%. Al trmino de laoperacin, el depsito cubrir una superficieaproximada de 6 Km2. La permeabilidad ypotencia de los estratos que constituyen el terrenode fundacin del depsito condujeron a considerarla necesidad de contar con una membrana basalimpermeable para garantizar una adecuadarecoleccin de las soluciones de lixiviacin y conello evitar una contaminacin ambiental.

Los anlisis de estabilidad efectuados pusieronen evidencia que el rea de contacto entre el suelode fundacin y la membrana impermeable, o bien,entre sta ltima y el mineral lixiviado, puedeconstituir una zona preferencial de deslizamientos.

La amplia gama de geomembranas existentes enel mercado, que se diferencian por el tipo deresina, el tipo de textura o bien, en laspropiedades resistentes, motiv la ejecucin de unprograma de ensayos de laboratorio destinado acaracterizar las propiedades geomecnicas delsuelo de fundacin, del mineral lixiviado yparticularmente, de la interfaz rea de contactoentre el suelo de fundacin y la geomembrana oentre esta y el mineral lixiviado.

Para caracterizar la interfaz se utiliz el ensayode corte directo, en conformidad a la normaASTM D5321. Se utilizaron dimensiones de

probetas de 0.30x0.30m2, 0.45x0.45m2 y0.60x0.60 m2.

Los ensayos de caracterizacin de la interfaz seutilizaron adems para establecer un criterio deseleccin del tipo de geomembrana ms apto paralas condiciones particulares del proyecto, tantodesde el punto de vista del ngulo de roce suelo-geomembrana como del comportamiento integralde sta. En efecto, es sabido que durante laconstruccin de los depsitos de ripios se generanesfuerzos de corte al pie del talud de avance,provocando con ello movimientos relativos entrela geomembrana y el suelo de apoyo o bien con elmineral lixiviado. Los ensayos de cortepermitieron verificar que geomembranas igualesen cuanto al tipo de resinas, densidad, espesor ytextura, presentaban importantes diferencias en sucomportamiento mecnico, tanto en el ngulo deroce, como en su resistencia al desgarro ypunzonamiento.

Todos los resultados que se presentan en esteartculo corresponden a ensayos ejecutados entrelos aos 1997 y 2001.

2

CARACTERIZACIN DE LOS SUELOS

2.1

Suelo de FundacinEl suelo sobre el cual se apoyar la

geomembrana est constituido por una cubiertadetrtica de origen coluvio - aluvial cuaternaria, dearenas limosas (SM-SM(ML)) con gravasangulares dispersas. Los finos no presentanplasticidad y la fraccin bajo malla # 200 seencuentra, por lo general, en proporciones quevaran entre 27% y 31%. Presenta un espesorvariable entre 0,5 a 1,5 m y sobreyace a una costrabrechosa salina (caliche), el cual se haconsiderado como un substrato de espesorindefinido para efectos del proyecto. El conjuntodescrito, a su vez, sobreyace a gravas terciariascaractersticas de la zona, de espesor considerable.

En la figura 1 se indican los rangos de lasenvolventes de las curvas granulomtricas tpicasdel suelo de fundacin.

2.2

Mineral lixiviado (ripios)La mayora del mineral lixiviado, en adelante

ripios, que conformar el depsito clasifica comogravas areno-arcillosas, con finos arcillosos debaja plasticidad, con valores promedios del Indicede Plasticidad, IP 11 y de lmite lquido,wl 30%.

Las envolventes de las curvas granulomtricastpicas de los ripios se indican en la figura 2.

Figura 1. Banda granulomtrica suelo defundacin.

Figura 2. Banda granulomtrica ripios.

3

CARACTERIZACION DE LA INTERFAZ

3.1

GeomembranasA objeto de analizar un amplio espectro de

geomembranas, se solicitaron a diferentesfabricantes y/o representantes muestras degeomembranas de distintos tipos y espesoresfactibles de instalar en el depsito.

Adicionalmente, se evalu la alternativa deutilizar geomembranas cubiertas con geotextil demodo de mejorar la resistencia al punzonamiento.Sin embargo, los ensayos preliminares sobre estosgeocompuestos (geotextil sobre geomembrana)pusieron en evidencia ngulos de roce que eranincompatibles con la estabilidad global deldepsito.

Los tipos de geomembranas o geocompuestosensayados se resumen en la Tabla 1, con lasiguiente nomenclatura:

PVC: Polyvinyl Chloride,

HDPE: High Density Polyethylene

LLDPE: Lineal Low Density Polyethylene

VLDP: Very Low Density Polyethylene

VFPE: Very flexible Polyethylene

ABERT URA T AM IZ (m m )

0102030405060708090

100

% qu

e pa

sa

#200 #60 #40 #20 #10 #4 3/8" 3/4" 1"

0.074 0.25 0.42 0.84 2.0 4.76 9.51 19.025.4

A BE RTU RA TAM IZ (m m )

0102030405060708090

100

% qu

e pa

sa

# 200 #60 #40 #20 #10 #4 3/8" 3/4" 1"

0.074 0.25 0.42 0.84 2.0 4.76 9.51 19.025.4

Tabla 1. Tipos de geomembranas ensayadas

Geomembrana Espesor (e)mm

Totalensayos

PVC lisa 0.75 3PVC con textura 0.42 3HDPE lisa 1.50 3HDPE con textura 1.5, 2.0, 2.5 99LLDPE con textura 1.5, 2.0, 2.5 30VLDP con textura 1.5 3VFPE con textura 1.5 y 2.0 6

3.2

Ensayos de corte directo a gran escala

Los ensayos de corte directo para caracterizarlas propiedades mecnicas de la interfaz ripios geomembrana - suelo de fundacin, se efectuaronen ripios integrales, es decir, sin modificar ladistribucin granulomtrica y con ripios a loscuales se eliminaron las partculas mayores a 9.5mm (3/8). Se utilizaron equipos de corte directocon cajas de ensayos de 0.6x0.6m2, 0.45x0.45m2 y0.3x0.3m2, y se aplicaron tensiones normalesmximas de n=0.4 MPa, n=2.5 MPa y n=1.2MPa, respectivamente. Se analiz la interfaz suelode fundacin-geomembrana y ripios-geomembrana. Los resultados de la interfaz suelode fundacin-geomembrana pusieron en evidenciaen forma sistemtica, para este estudio enparticular, que los menores ngulos de friccin sealcanzaban en la interfaz ripios-geomembrana.Cabe sealar que las muestras de ripios fueronacondicionadas en la caja de corte, con una bajadensidad y alta humedad, ambas representativasde las condiciones de lixiviacin. Los resultadosque se exponen en los siguientes prrafoscorresponden a los de la interfaz ripios-geomembrana, cuyos ensayos se ejecutaron con lasiguiente configuracin:-

caja superior: ripio colocado a baja densidad ysaturado,

-

interfaz: geomembrana anclada a la cajainferior,

-

caja inferior: suelo de fundacin, compactadopor capas, hasta obtener un 95% de ladensidad mxima seca compactada.

La figura 3 presenta en forma esquemtica laconfiguracin del ensayo de corte y en la figura 4se indica el equipo de corte directo utilizado paralas probetas de 0.6x0.6m2 y 0.45x0.45m2.

En general, las envolventes de resistenciamxima y residual que caracterizan elcomportamiento de la interfaz constituidas porripios integrales y geomembrana, presentan una

baja a nula cohesin y un ngulo de friccin queaumenta en la medida que la geomembranasensayadas son ms flexibles.

Geomembrana

Caja mvil

Mineral lixiviado Sistema deanclaje

Caja fija

Placa rgida

Suelo de fundacincompactado

Tensin Normal

Fuerza de corte

Figura 3. Esquema de ensayo corte directo

En estos casos, los altos valores del ngulo defriccin obtenidos se explican por la fuertetrabazn mecnica que se generan al penetrar laspartculas en las membranas flexibles durante elcorte. Sin embargo, esta fuerte trabazn mecnicase traduce en punzonamientos y desgarros en lasmembranas. Esta situacin, favorable desde unpunto de vista de resistencia al corte, resultainadmisible desde el punto de vista de laimpermeabilidad exigida a la geomembrana.

Figura 4. Panormica Equipo de Corte Directo,caja de 0.45x0.45 m2 y 0.60x0.60 m2.

En forma complementaria, se efectuaronensayos con ripios lixiviados a los cuales seeliminaron las partculas mayores a 9.5 mm, losque pusieron en evidencia una notabledisminucin en la cantidad de desgarros y depunzonamientos en las muestras ensayadas, aunpara altas tensiones normales.

Los valores del ngulo de roce residualobtenidos se indican en la Tabla 2. En esta tabla yen las figuras siguientes, cuando se hacereferencia a envolvente superior e inferior, serefiere a los mximos y mnimos valoresobtenidos de la resistencia residual en muestras dediferentes fabricantes, pero de igual tipo de resina.

Interfaz

Tabla 2. Resultados caracterizacin de la interfaz

Angulo de roceresidual, () (2)Tipo de Geomembrana(1) n(MPa) Mn Mx

PVC e=0.42mm text. 0.4 37PVC e=0.75mm, TM< 9.5mm 0.4 26HDPE liso e=1.5 mm,TM 0 .8 M P a c= 0 M P a , = 2 5 n< 0.8 M P a c= 0 .15 M P a, = 1 5 n> 0 .8 M P a

T ota l M u estra s :15 T o ta l E n say os :4 8

Figura 5. Rangos de envolventes de resistenciaresidual, geomembranas de HDPE con textura,distintos fabricantes.

0 5 10 15 20 25 30n (x 0 .1 M P a).

0

5

10

15

20

25

30

(x 0 .1 M P a)

c= 0 M P a, = 3 8 n< 0 .8 M P a c= 0 .4 2 M P a, = 1 5 n> 0 .8 M P a c= 0 M P a , = 2 1 n< 0.8 M P a c= 0 .10 M P a, = 1 5 n> 0 .8 M P a

T o ta l M u estra s :1 1 T o ta l E n sa yo s :3 3

Figura 6. Rangos de envolventes de resistenciaresidual, geomembranas de HDPE con textura,distintos fabricantes.

Al aumentar el espesor de la geomembrana, seincrementa su rigidez y se dificulta su adaptacina las irregularidades de la superficie dedeslizamiento impuesta, situacin que deberareducir el ngulo de roce de la interfaz. En el casode las geomembranas de HDPE, esto no seobserva claramente para las envolventes deresistencia residual superior, pero si se aprecia enforma marcada en la envolvente de resistenciaresidual inferior, en donde el ngulo de friccindisminuye 5 cuando se aumenta el espesor de lageomembrana en 1 mm.

En el caso de las geomembranas de LLDPE,figuras 8, 9 y 10, la envolvente de resistenciaresidual mxima inicial, no presenta diferenciasimportantes para los tres espesores ensayados.

Espesor geomembrana, e=1.5mm

Espesor geomembrana, e=2.0mm

=25 n0.8 MPa

0 5 10 15 20 25 30n (x 0 .1 M P a).

0

5

10

15

20

25

30

(x 0 .1 M P a)

c= 0 M P a, = 3 3 n< 0 .8 M P a c= 0 .2 6 M P a, = 1 8 n> 0 .8 M P a c= 0 M P a , = 2 0 n< 0.8 M P a c= 0 .10 M P a, = 1 5 n> 0 .8 M P a

T o ta l M u estra s :6 T o ta l E nsay os:1 8

Figura 7. Rangos de envolventes de resistenciasresidual, geomembranas de HDPE con textura,diferentes fabricantes.

En cambio, la envolvente de resistencia mnimapresenta diferencias para cada espesor, aunque sinuna tendencia clara, pero siempre mayor a laobtenida en las geomembranas de HDPE; esto seexplica por la mayor flexibilidad de este tipo degeomembrana.

0 5 10 15 20 25 30n (x 0 .1 M P a).

0

5

10

15

20

25

30

(x 0 .1 M P a)

c= 0 M P a, = 3 3 n< 0 .8 M P a c= 0 .2 3 M P a, = 2 0 n> 0 .8 M P a c= 0 M P a , = 2 5 n< 0.8 M P a c= 0 .15 M P a, = 1 5 n> 0 .8 M P a

T o ta l M u estra s :4 T o ta l E n say os:1 2

Figura 8. Rangos de envolventes de resistenciasresidual, geomembranas LLDPE con textura,diferentes fabricantes.

La Figura 11 ilustra el estado superficial de unamuestra de geomembrana al finalizar el ensayo decorte directo. Este caso corresponde a unageomembrana de HDPE, de espesor 1.5mm,ensayada en la caja de 0.45x0.45 m2. Para unamejor visualizacin de su superficie, la fotografase muestra en negativo.

0 5 10 15 20 25 30n (x 0 .1 M P a).

0

5

10

15

20

25

30

(x 0 .1 M P a)

c= 0 M P a, = 3 3 n< 0 .8 M P a c= 0 .3 M P a, = 15 n> 0 .8 M P a c= 0 M P a , = 3 0 n< 0.8 M P a c= 0 .25 M P a, = 1 5 n> 0 .8 M P a

T o tal M ues tra s :4 T o ta l E n say o s:1 2

Figura 9. Rangos de envolventes de resistenciasresidual, geomembrana de LLDPE con textura,diferentes fabricantes.

0 5 10 15 20 25 30n (x 0 .1 M P a).

0

5

10

15

20

25

30

(x 0 .1 M P a)

c= 0 M P a, = 2 8 n< 0 .8 M P a c= 0 .1 6 M P a, = 1 8 n> 0 .8 M P a c= 0 M P a , = 2 8 n< 0.8 M P a c= 0 .2 M P a, = 1 4 n> 0.8 M P a

T ota l M u es tra s :2 T o ta l E n say os :6

Figura 10. Rangos de envolventes deresistencias residual, geomembrana de LLDPEcon textura, diferentes fabricantes.

Figura 11. Muestra de geomembrana HDPE,despus de ensayada (fotografa en negativo).En crculos se indican punzonamientos.

Dire

cci

n de

l cort

e

Espesor geomembrana, e=2.5mm

Espesor geomembrana, e=1.5mm

Espesor geomembrana, e=2.0mm

Espesor geomembrana, e=2.5mm

Espesor geomembrana, e=1.5mm

En la figura 12 se comparan las envolventes deresistencias de geomembranas de HDPE y deLLDPE de igual espesor. Para muestras con unespesor de 1.5 mm, las envolventes superior deresistencia residual es muy similar para ambostipos de geomembrana y para las envolventes deresistencia residual inferior, estas son idnticas.En el caso de las muestras de espesor de 2.0 y2.5mm, existe una notable diferencia en lasenvolventes para ambos tipos de geomembrana.

0

5

10

15

(x 0 .1 M P a)

0

5

10

15

0 5 10 15 20 25 30n (x 0 .1 M P a).

0

5

10

15

H D P E e= 1 .5 m m [

L L D P E e= 1 .5 m m [

Lm ite infe rio rL m ite superior

L m ite infe rio rL m ite superior

H D P E e= 2 m m [ Lm ite in fe rio rL m ite superior

H D P E e= 2 .5 m m [ Lm ite infe rio rL m ite sup erior

L L D P E e= 2 .5 m m [ Lm ite in fe rio rL m ite sup erior

L L D P E e = 2 m m [ Lm ite infe rio rL m ite superio r

Figura 12. Comparacin envolventes deresistencia para muestras de HDPE y LLDPE.

4 CONCLUSIONES

En ensayos realizados para caracterizar laspropiedades de la interfaz ripios-geomembrana,las geomembranas de HDPE con textura presentanel mejor comportamiento en cuanto a ngulo deroce y resistencia al punzonamiento. No obstantelo anterior, se verificaron notables diferencias congeomembranas de diferentes fabricantes. Estasituacin pone en evidencia que no basta conespecificar el tipo de resina, espesor y lascaractersticas del texturado, sino que se debenejecutar ensayos adecuados para determinar lascaractersticas resistentes de la interfaz.

Al observar las muestras sometidas a ensayo,los daos en el texturado de todas las muestras degeomembrana es evidente, siendo mayor en eltexturado que se materializa despus de fabricadala lmina de geomembrana (tipo proyectado).

La eleccin del tipo y las caractersticas de lageomembrana debe considerar no slo que lainterfaz presente un ngulo de roce compatiblecon la seguridad de la obra, sino que adems debetomar en cuenta que estar sometida a grandestensiones normales y a eventuales movimientosrelativos al pie del talud, que pueden punzonarla.

Finalmente, es de suma importancia reproduciren laboratorio lo ms fielmente posible lascondiciones de terreno. En este contexto, apoyarseen resultados de ensayos de corte directo (sobre lainterfaz) para seleccionar la geomembrana msadecuada a las condiciones particulares de cadaproyecto es esencial.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a Codelco-Chile el haberotorgado las facilidades para la publicacin delpresente artculo.

REFERENCIAS

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