INDÍCE LODOS BENTONÍTICOS .................................................................................................................... 1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 1 ¿QUÉ ES UN LODO BENTONÍTICO? ............................................................................................. 1 FABRICACIÓN DE LODOS BENTONÍTICOS .................................................................................. 2 PROPIEDADES DE LOS LODOS BENTONÍTICOS ........................................................................ 4 TRATAMIENTO DE LOS LODOS BENTONÍTICOS ......................................................................... 6 TIPOS DE LODOS DE PERFORACIÓN QUE INCLUYEN BENTONITA................................... .................. ........................ ....... 7 FUNCIONES DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN ..................................................................... 8 APLICACIONES .............................................................................................................................. 8 CONCLUSIONES .......................................................................................................................... 10 CITAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................................................. 11 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 11 ANEXOS ........................................................................................................................................ 13
LODOS BENTONÍTICOS INTRODUCCIÓN En ingeniería civil las perforaciones son utilizadas frecuentemente para conocer la litología del suelo sobre el cual circulamos constantemente, este suelo en estudio se convertirá en la base de una infinidad de proyectos ingenieriles, por lo cual es fundamental estar al tanto de sus características tanto mecánicas como físicas. Muchos de los terrenos donde se desarrollan dichas obras pueden presentar problemas de inestabilidad a la hora de realizar cualquier tipo de perforación, por lo que para subsanar este inconveniente se utilizan fluidos que garantizan el éxito del sondeo mediante la perforación. Entre estos fluidos de perforación encontramos a los lodos bentoníticos, mismos que son el tema central a tratar en este ensayo. El lodo bentonítico tiene varias aplicaciones en la construcción, especialmente en las excavaciones. Este lodo bentonítico posibilita que al excavar zanjas no se corra riesgo de que ocurra algún desprendimiento de tierra, lo cual se logra llenando las zanjas del lodo. Otros usos del lodo bentonítico incluyen la extracción del ripio de perforación o detritus, el enfriamiento de la herramienta de perforación, el control de presiones de formación y estabilización de paredes, minimización de los daños, el control de corrosión, entre otros.
¿QUÉ ES UN LODO BENTONÍTICO? Varios autores señalan que un lodo bentonítico es la mezcla de agua más bentonita, una arcilla del tipo montmorilonítico originada por la descomposición química de las cenizas volcánicas, de muy alto límite líquido, lo cual implica que a pesar de que se le añada mucha agua, la mezcla no pierde estabilidad o consistencia, además permite que el lodo pierda resistencia al ser amasado sin que el agua varíe y se comporte como fluido, en cambio si se deja en reposo vuelve a adquirir resistencia. La bentonita utilizada para desarrollar este fluido de perforación deberá cumplir con varios requisitos regulados tales como el contenido de partículas con tamaño superior a ochenta micras no debe superar al cinco por ciento (5%), el contenido de humedad debe ser menor del quince por ciento
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(15%), su límite líquido (WL) necesariamente debe ser mayor del trescientos por ciento (300%) y por último pero no por ello menos importe no debe contener cantidades significativas de productos químicos nocivos para las armaduras y el hormigón. (1) El cumplimiento de estos porcentajes en la bentonita es esencial para obtener un lodo bentonítico de excelente calidad, asimismo de toda la literatura investigada se considera que dichos porcentajes pueden variar en caso de presentarse terrenos con alta permeabilidad susceptibles de provocar pérdida de lodo, terrenos muy blandos o agua de mar, en donde el buen criterio del ingeniero civil es indispensable para realizar una correcta perforación. El objetivo de estos lodos es ayudar a hacer rápida y segura la perforación. Este tipo de lodo no debe ser tóxico, corrosivo ni inflamable pero sí inerte a las contaminaciones de sales solubles o minerales. Además se requiere que mantenga en condiciones óptimas sus propiedades a lo largo de todo el proceso de perforación.
FABRICACIÓN DE LODOS BENTONÍTICOS Como anteriormente se mencionó, para la formación de estos lodos de perforación se utiliza agua potable y arcilla bentonítica, sin embargo también se suelen utilizar aceite y polímeros, así como agua de mar en las zonas costeras, siempre y cuando se le incorpore al lodo en fabricación un aditivo estabilizante con la finalidad de incrementar la estabilidad del sistema en cuestión. Cuando se tenga todos los materiales listos para la elaboración del lodo bentonítico, el responsable a cargo debe constatar que los mismos cumplan con todas las normas ya establecidas por la ASTM y ACI en cuanto a lodos de perforación se refiere, las mismas que son:
“ASTM D 4380 ‐93e:
Métodos de prueba para la densidad de lodos bentonitícos.
ASTM D 4381-93e: Método de prueba para el contenido de arena por volumen de lodos bentoníticos.
ACI 336.1 y ACI 336.1R-98: Referencia de especificaciones para la construcción de pilares perforados y comentarios.” (2)
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El lodo de perforación deberá ser almacenado al menos 24 horas antes de su empleo, para su completa hidratación, a menos que se empleen dispersantes o aditivos que reduzcan dicho plazo, pero que a la vez encarecerán el proceso de elaboración del lodo bentonítico. En lo que se refiere a la mezcla en sí de los elementos formativos del lodo de perforación se utilizan mezcladores, los cuales puedes ser de alta o baja velocidad, obteniendo mejores resultados con mezcladores de alta velocidad pues resultan mejor hidratados y con mayor resistencia al esfuerzo cortante del suelo. Por la absorción de agua y formación de grumos, es recomendable que la bentonita se incorpore gradualmente al equipo de mezclado a través de la descarga de agua, mediante un cono dosificador y cuando ya se encuentre mezclada habrá de recircular una o dos veces más para que posteriormente transite a un tanque de almacenamiento en donde continuará su hidratación y expansión. En España se ha patentado un equipo para la fabricación de lodos bentoníticos, inventado por Fernandez Fernandez Antonio y Reguera Suarez Jaime Rodrigo. “Este equipo consiste en un
depósito de capacidad apropiada a la masa de lodos bentoníticos a obtener en un ciclo operativo del equipo, depósito asistido con una unidad de pesaje electrónico en la que participan células de pesaje establecidas en el seno del depósito que permiten controlar en todo momento el peso de los productos o materiales alojados en su seno, de manera que desde este depósito al que inicialmente se ha aportado la masa de agua total a participar en la mezcla, a través de una bomba se suministra a un mezclador, al que paralela e independientemente y a través de un sinfín llega la bentonita en seco y a granel desde un silo, retornando el agua ya mezclada con la bentonita al depósito mediante la conducción, manteniéndose este ciclo depósito-depósito a través del mezclador, hasta que las células de pesaje detectan un incremento de peso correspondiente a la dosis de bentonita inicialmente prevista.” (3) Este tipo de inventos resulta interesante para la obtención de una mezcla de calidad y por tanto un lodo bentonítico con las mejores características y/o propiedades. El esquema de dicho equipo patentado se lo podrá observar con detalle en la parte correspondiente a anexos de este presente ensayo.
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PROPIEDADES DE LOS LODOS BENTONÍTICOS Los lodos bentoníticos tienen una propiedad muy importante que los hace muy útiles en construcción: “cuando un lodo bentonítico es amasado sin que se produzca variación de agua, pierde resistencia, comportándose como un fluido. Sin embargo, vuelve a adquirir esta resistencia una vez que entra en reposo. ” (4) Un lodo bentonítico posee seis características esenciales, las mismas que se pueden ver afectadas en el transcurso de las perforaciones ya sea por contaminación externa o intencionadamente por la inserción de aditivos adecuados. Estas propiedades son: Filtrado y espesor del cake, densidad, viscosidad, tixotropía, contenido de arena y pH. El ingeniero de caminos, canales y puertos Luis Fernandez Renau, en su artículo titulado “Empleo de lodos tixotrópicos en obras de ingeniería civil” nos da a conocer una idea muy clara acerca del filtrado y espesor del cake, lo cual se expresa en las siguientes afirmaciones: “Sobre las paredes de
una perforación ejecutada en presencia de estos lodos, se deposita una fina pastilla de bentonita al producirse la filtración del propio lodo en el terreno circundante. Esta pastilla se conoce con el nombre de “cake”. La filtración de un lodo depende fundamentalmente de la permeabilidad del
terreno, aparte de sus propias cualidades como la clase de bentonita, su concentración y preparación. En aluvión grueso tiene lugar la inyección del lodo en el terreno hasta que el gradiente de presiones es neutralizado por el rozamiento del lodo en el esqueleto sólido del suelo; entonces comienza propiamente el fenómeno de preso-filtración, cediendo el lodo de su agua libre al terreno y depositándose el “cake” en las paredes de la perforación. Mientras que en aluvión fino, las partículas
de bentonita no pueden penetrar en los pequeños poros del terreno, que no es inyectable y el proceso de preso-filtración es inmediato.” (5) De tal forma entendemos que como la presión hidrostática ejercida por el lodo bentonítico es mayor que la del agua en cualquier profundidad de la perforación, este penetra en los vacíos del suelo y va quedando en reposo. Por ser tixotrópico se rigidiza y forma una película que une las partículas conocida con el nombre de “cake” la misma que evita el cizallamiento del suelo.
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Tal proceso no es uniforme y depende del tipo de suelo, índice de vacíos, de la viscosidad del lodo y de la diferencia de presión entre el lodo bentonítico y el agua del suelo. En poco tiempo el “cake” se cubre con una fina capa de partículas de bentonita a manera de un film protector, anulando la penetración de lodo bentonítico en el suelo y pudiendo soportar la presión hidrostática. Otra de las propiedades de los lodos bentoníticos que cabe mencionar es la densidad, la cual es causa de una presión estabilizadora sobre las paredes de la perforación. Esta densidad en lo que a aplicaciones referente a la ingeniería civil se refiere debe estar en el orden de 1,05. No se requiere añadir aditamentos para aumentar esta característica, pues la densidad en general de un lodo bentonítico elaborado correctamente tiene un valor inferior a 1,1 de acuerdo a la bibliografía consultada. En párrafos anteriores se mencionó como característica de los lodos bentoníticos a la viscosidad la cual es igual de importante que todas las otras propiedades pues deja en suspensión partículas sólidas de suelo excavado, evitando que se depositen en el fondo de la excavación. Sin duda alguna la tixotropía es la propiedad de los lodos bentoníticos que ayuda a cumplir con su misión en las perforaciones pues, que un lodo sea tixotrópico significa que es fluido al agitarlo vigorosamente, pero forma un gel cuando está en reposo. Ella es responsable del mantenimiento de finos en suspensión, durante las paradas de los equipos de perforación. No puede ser exagerada, pues ello implicaría dificultades en el nuevo arranque de las bombas, después de las paradas en las jornadas de trabajo. El contenido de arena en nuestro lodo bentonítico se basa más en un criterio sobre la contaminación del lodo utilizado, con vistas a su reutilización, previa regeneración si tal contenido de arena no es alto. Otra propiedad que se puede ver afectada por contaminaciones externas, sean del terreno o del cemento en el caso de que se usen los lodos bentoníticos en perforaciones para posteriores hormigonados como por ejemplo pilotes de hormigón, es la del pH del lodo. El mismo que contaminado se eleva a valores de 11,5 a 12,5 mientras que un lodo fresco tiene un pH de 7 a 9,5. De acuerdo al nivel de contaminación que tenga el lodo puede necesitar ser corregido o, en caso extremo, sustituido. Siempre hay que compensar pérdidas inevitables. Entre los percances más
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frecuentes tenemos: “grandes pérdidas por filtración en horizontes muy permeables, hasta su
obturación final; incorporación de arcillas al lodo, que ve aumentada su viscosidad en exceso y se debe corregir con dispersantes tales como fosfatos complejos de sodio, entre otros; y finalmente tenemos la contaminación por agua salad a, yeso o cemento que hacen flocular el lodo.” (6)
TRATAMIENTO DE LOS LODOS BENTONÍTICOS Debido a que el lodo se carga de las partículas de materiales de distinta granulometría procedentes del suelo, es necesario controlar algunas de sus características durante su utilización, como la densidad, la viscosidad y el contenido de arena, para que siga cumpliendo sus objetivos debe mantenerse “puro” en su medio acuoso. Esto exige sustituir la bentonita sucia por otra nueva varias
veces durante la obra. La deshidratación de los lodos bentoníticos puede realizarse en la propia obra o por medio de un gestor de residuos externo. En ambos casos se utilizan filtros prensa, encargados de la desecación y separación de producto final y agua. El resultado de esta separación es un producto final compuesto por bentonita seca con sólidos excavados y, por otro lado, agua con nula o baja actividad contaminante. La eficacia del proceso de filtrado dependerá de la correcta elección del tejido filtrante. La empresa ICT FILTRACIÓN, S.L. procedente de España, nos ofrece soluciones para el tratamiento eficiente de los lodos bentoníticos teniendo en cuenta que “el tipo de partículas
contaminantes, en su forma y granulometría, marcará el tipo de tejido filtrante a utilizar, que podrá ser poliamida o polipropileno en sus variantes, con diversas permeabilidades. Una de las calidades más utilizadas en la fabricación de telas de filtro prensa para este tipo de aplicaciones es la poliamida 6. Este tipo de tejido ofrece una alta resistencia a la abrasión, la cual es una característica propia de los lodos bentoníticos.” (7) Se debe tomar en cuenta que el material producto de las perforaciones es muy inestable para el apoyo del equipo, debido a su estado suelto. De tal manera que cuando se perfora por debajo del nivel freático, el problema es aún mayor, ya que la superficie de trabajo se cubre de lodo. Sí se
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utilizan lodos bentoníticos para la estabilización de las paredes de las perforaciones, la plataforma de trabajo puede llegar a ser inestable y resbaladiza y si no se logra retirar eficientemente los lodos de la superficie se debe tener cuidado en señalizar y proteger los puntos donde se encuentren perforaciones abiertas para evitar posteriores accidentes.
TIPOS DE LODOS DE PERFORACIÓN QUE INCLUYEN BENTONITA El empleo de la bentonita en los lodos de perforación es muy amplio, por lo cual se puede derivar una gran clasificación, pero para lograr analizar y entender dicha clasificación se puede decir que existen lodos con base espumante los cuales son lodos formados por agentes espumantes, cuya combinación puede ser: sólo espuma, espuma más surfactante y espuma más polímero o bentonita. Por otro lado tenemos los lodos con base agua en los cuales el fluido principal es agua, que por sí misma constituye un fluido de perforación al cual se adicionan aditivos, polímeros o simplemente bentonita para mejorar sus propiedades. A continuación tomada del Manual de registro de hidrocarburos de Rotenco se muestra otra clasificación de lodos de perforación que incluye bentonita en su elaboración. Esta variedad de tipos de lodos se debe utilizar de acuerdo a las características del suelo que se vaya a perforar y tomando en cuenta el tipo de trabajo que se vaya a realizar, de tal manera tenemos: a) Lodo Fosfático: lodo bentonítico tratado con fosfato (dispersantes) para reducir la viscosidad de los lodos bentoníticos contaminados con sólidos de la formación o cemento, utilizándose en la parte superior de los pozos. b) Lodo Cálcico: lodo bentonítico utilizado en zonas de yeso, anhidrita o flujos de agua salada. Estos lodos difieren de los otros lodos base agua en que las arcillas sódicas (bentonita) se convierten en arcillas cálcicas a través de la adición de cal-yeso y lignosulfatos. c) Lodo de Polímeros: lodo elaborado mediante la adición de bentonita con polímeros floculantes. Son bajos en el contenido de sólidos, más estables a las altas temperaturas y pueden ser densificados a cualquier valor.
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d) Lodo Salado: lodo bentonítico con adición de agua salada y barita. Este tipo de lodo se usa para perforar domos salinos, zonas de flujo de agua salada, secciones de anhidrita, yeso y lutitas deleznables.
FUNCIONES DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN Dependiendo del uso en el cual se empleen los fluidos de perforación, ya sea en trabajos encaminados a detección de contaminantes, exploración minera, mecánica de suelos o en la industria petrolera, el lodo de perforación debe cumplir con las siguientes funciones: a) “Enfriar y lubricar la broca y la tubería de perforación. b) Limpiar la broca y el fondo del barreno. c) Transportar (flotar) los recortes a la superficie y removerlos del fluido. d) Proporcionar estabilidad al barreno (evitar que se formen cavidades en el barreno). e) Prevenir la pérdida excesiva de fluido en formaciones permeables. f) Evitar daños a las formaciones productivas y maximizar su producción. ” (8) Todas y cada una de las funciones mencionadas en la lista anterior pueden variar dependiendo del equipo de perforación, las condiciones en el interior del barreno y otros factores como la temperatura, la presión y el tipo de formación geológica a perforar. Es más que seguro que no existe ningún tipo de fluido maravilloso o milagroso que resuelva todos los problemas de perforación. No obstante, hoy por hoy sí existe un gran desarrollo tecnológico con el objetivo de preservar las condiciones naturales del subsuelo para lograr su estudio exitoso.
APLICACIONES Se ha dicho ya que los lodos bentoníticos son utilizados en el proceso de perforación de los suelos, pero cabe recalcar que las perforaciones se emplean para diversos fines, de tal manera que los lodos en estudio son aplicados en el proceso constructivo de muros colados, por ejemplo, aquí
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ayudan a la estabilización del talud excavado, misma que se debe a la presión hidrostática ejercida por el lodo bentonítico, pues al penetrar este fluido de perforación a una cierta profundidad la tensión normal horizontal ejercida por la mezcla bentonítica es mayor a la horizontal normal ejercida por el suelo, que se produce por el peso propio más la tensión normal horizontal ejercida por el suelo y la sobrecarga más la tensión normal horizontal ejercida por el agua. Para mejorar las condiciones de estabilidad de la excavación, se actúa sobre dos tensiones: una resistente y otra actuante. Para obtener la primera se debe agregar substancias que aumenten la densidad del lodo bentonítico, y por otro lado para controlar las tensiones actuantes se debe evitar sobrecargas sobre el terreno próximo a la excavación, ya que no es muy estable por una constante variación de nivel, sumado a ello el peso de los equipos de excavación. Los lodos bentoníticos también se emplean para la construcción de pilotes sin entubación, en este caso el proceso constructivo se realiza de la siguiente manera: en primera instancia se ejecuta la perforación mediante una hélice, seguidamente se usa un lodo bentonítico de densidad mayor que la del agua y menor que la del terreno el mismo que es capaz de transmitir cierta presión en la perforación, a continuación se hormigona desde el extremo inferior y el propio hormigón desalojará el lodo, para finalizar la obra del pilote se introduce la armadura mientras el hormigón se encuentre fresco. Una aplicación más de los lodos bentoníticos se la puede observar en el proceso constructivo para realizar túneles con grandes maquinarias, puesto que el 90 % de las microtuneladoras que se construyen en la actualidad utilizan las ventajas de los lodos bentoníticos para la perforación. Tanto en terrenos rocosos, en gravas, como en terrenos blandos, de ha demostrado que esta ejecución es la más apropiada. En la extracción por bombeo, la suspensión bentonítica tiene dos funciones en primer lugar debe soportar el frente y como segundo punto actúa como medio de transporte de escombros. El material de desecho junto con la suspensión se extrae mediante bombas centrífugas a la superficie, donde los lodos bentoníticos se aislarán del escombro mediante una planta separadora y se volverá a inyectar al circuito de alimentación. La utilización de este sistema tiene la ventaja de poder hacer uso del mismo en niveles freáticos. Por tanto sin duda alguna se trata de un sistema universal de óptimos resultados.
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CONCLUSIONES El lodo bentonítico cumple con varias funciones pues este opera como elemento de limpieza, evacuación y recuperación de residuos, como medio para controlar las presiones de la formación geológica, como obturador de las formaciones permeables y estabilizador de las paredes de la perforación, como refrigerante y lubricante de las herramientas de perforación. También como transmisor de la potencia hidráulica a la barrena y como contenedor de los fluidos de la formación geológica, es decir, cumple un sin número de funciones, todas y cada una de ellas de gran ayuda en el proceso constructivo de toda obra de ingeniería civil. A lo largo de la elaboración de este ensayo se han presentado temas muy interesantes relacionados con los lodos bentoníticos, pues se sabe que no únicamente son utilizados dentro de la ingeniería civil para la exploración del terreno en mecánica de suelos, sino que su uso va más allá de una exploración, pues los mismos son de gran ayuda al momento de estabilizar taludes, en la construcción de pilotes e incluso son utilizados para la construcción de túneles en las microtuneladoras, su aplicación es realmente extensa y considerando adecuadamente el tipo de proyecto a realizar más las características del suelo que lo va a soportar, se puede utilizar está magnifica mezcla de agua y bentonita en las proporciones precisas para facilitar gran mayoría de los procesos constructivos que se presentan día tras día. Es importante resaltar que la aplicación del mejor fluido conjuntamente con el equipo de perforación más moderno, pueden no brindar los resultados deseados y convertirse en un total fracaso cuando el equipo humano carece de la experiencia necesaria para una correcta aplicación del fluido y el adecuado uso de la maquinaria. Por tanto es necesario tener un vasto conocimiento de la materia en estudio antes de realizar cualquier tipo de obra, pues es trascendental tener en cuenta que hasta el mínimo error que se produzca por falta de criterio por parte del cuerpo ingenieril puede llegar a costar pérdidas millonarias. Se recomienda plenamente el uso de lodos bentoníticos en los procesos constructivos que impliquen perforaciones, pues por todo lo anteriormente expuesto se da a conocer que, como todo proyecto, mientras se encuentre bajo la dirección de personal calificado y se tenga en cuenta las recomendaciones realizadas en el desarrollo de este ensayo, la perforación se verá beneficiada cuando se emplee lodos bentoníticos durante su proceso de ejecución.
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CITAS BIBLIOGRÁFICAS (1)
http://www.carreteros.org/normativa/pg3/articulos/6/v/a_672b.htm
(2)
http://www.univo.edu.sv:8081/tesis/018151/018151_Cap5.pdf
(3)
http://patentados.com/invento/equipo-para-la-fabricacion-de-lodos-bentoniticos.html
(4)
http://es.cyclopaedia.net/wiki/Lodos-bentoniticos
(5)
FERNANDEZ-RENAU, LUIS. EMPLEO DE LODOS TIXOTROPICOS EN OBRAS DE INGENIERÍA CIVIL, Pág. 757, 758
(6)
FERNANDEZ-RENAU, LUIS. EMPLEO DE LODOS TIXOTROPICOS EN OBRAS DE INGENIERÍA CIVIL, Pág. 759
(7)
http://ictfiltracioncometblog.com/wp-content/uploads/2012/04/CT17-FLUIDOS-DEPERFORACI%C3%93N-Y-FILTROS-PRENSA-TRATAMIENTO-DE-LOS-LODOSBENTON%C3%8DTICOS-DE-EXCAVACI%C3%93N1.pdf
(8)
JUAREZ BARRERA, ARMANDO. FLUIDOS Y ADITIVOS DE PERFORACION.
BIBLIOGRAFÍA
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ANEXOS Contenedor de lodo bentonítico.
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Equipo para la fabricación de lodos bentoníticos
Pilote perforado sin entubación y con lodos bentoníticos
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