MX2010007221A - Geocelda para aplicaciones de soporte de carga. - Google Patents

Abstract

Se describe una geocelda que tiene alto grado de resistencia y rigidez, de tal forma que la geocelda tiene un módulo de almacenamiento de 500 MPa o más a 23 °C; un módulo de almacenamiento de 150 MPa o más a 63 °C cuando se mide en dirección de la máquina usando Análisis Mecánico Dinámico (DMA) en una frecuencia de 1 Hz; una tensión traccional en deformación de 12% de 14.5 MPa o más a 23 °C; un coeficiente de expansión térmica de 120 x 10-6 /°C o menos a 25 °C, y/o una tensión de diseño a largo plazo de 2.6 MPa o más. La geocelda es apropiada para aplicaciones de soporte de carga, especialmente para reforzar capas intermedias y/o sub-bases de carreteras, pavimento, áreas de almacenamiento y vías férreas.

Description

G E OC E L DA PARA AP L I CAC I O N E S D E S OPORTE D E CARGA Antecedentes de la i nvención La presente invención se refiere a un sistema de confinamiento cel ular, también conocido como CCS o geocelda, que es apropiado para usarlo para sostener cargas, tales como las que están presentes en carreteras, áreas de estacionamiento y pavi mentos. En particular, las geoceidas de la presente descripción conservan sus dimensiones después de grandes cantidades de ciclos de carga y ciclos de temperatura ; por ello el confinamiento requerido del relleno se mantiene durante el ciclo de vida de diseño de la geocelda.

Un sistema de confinamiento celular (CCS) es un arreglo de celdas de contención que se asemeja a una estructura de "panal de miel" que está rellena con un relleno en gránulos, que puede ser sin cohesión con el suelo, arena, grava, balasto, piedra picada o cualquier otro tipo de agregado en gránulos. También conocidas como geoceidas, las CCS se usan principalmente en aplicaciones de ingeniería civil que requieren poca resistencia mecánica y rigidez , por ejemplo como protección de pendientes (para evitar la erosión) o para proporcionar soporte lateral a pendientes.

Las CCS difieren de otros geosintéticos tales como geomallas o geotextiles en que las geomallas o los geotextiles proporcionan confinamiento solamente para distancias verticales muy limitadas (usualmente 1 - 2 veces el tamaño promedio del material en gránulos) y están limitadas a mateirales granulares que tiene un tamaño promedio de más de aproximadamente 20 mm . Esto limita el uso de estos geosintéticos bidimensioneles a materiales en gránulos relativamente costosos (balasto, piedra picada y grava) debido a que difícilmente proporcionan un confinamiento o refuerzo para materiales granulares de baja calidad , tales como asfalto reciclado, concreto triturado, cenizas volantes y desechos de cantera . En contraste, las CCS son estructuras tridimensionales que proporcionan confinamiento en todas las direcciones (es decir, a lo largo de toda la sección transversal de cada celda). Además, la geometría de múlti ples celdas proporciona resistencia pasiva que aumenta la capacidad de soporte. A diferencia de los geosintéticos de dos dimensiones, una geocelda proporciona confi namiento y refuerzo para materiales granulares que tiene un tamaño promedio de partícula menor que aproximadamente 20 mm , y en algunos casos los materiales que tienen un tamaño promedio de partícula menor que aproximadamente 20 mm , y en algunos casos los materiales que tienen un tamaño promedio de partícula de aproximadamente 1 0 mm o menos.

Las geoceldas son fabricadas por algunas com pañ ías a nivel mundial , incluyendo Presto. Las geoceldas de Presto, así como también las de la mayoría de sus imitadores, son elaboradas de polietileno (PE). El Polieileno (PE ) puede ser polietileno de alta densidad ( HDPE) o polietileno de densidad media (MDPE). El término "HDPE" se refiere en lo sucesivo a un pol ietileno caracterizado por una densidad de más de 0.940 g/cm3. El término polietileno de densidad media (MDPE) se refiere a un polietileno caracterizado por una densidad de más de 0.925 g/cm3 hasta 0.940 g/cm3. El término polietileno de baja densidad (LDPE) se refiere a un polietileno caracterizado por una densidad de 0.91 hasta 0.925 g/cm3.

Las geoceldas elaboradas de HDPE y M DPE son lisas o texturizadas. Las geoceldas texturizadas son las más comunes en el mercado, dado que la textura puede proporcionar alguna fricción adicional de las paredes de la geocelda con el relleno. Aunque el HDPE teóricamente puede tener una resistencia a la deformación (esfuerzo de deformación al l ímite o al rompimiento) de más de 1 5 megapascales (MPa), en la prácica , cuando se toma una muestra de una pared de una geocelda y se somete a prueba de acuerdo a la norma ASTM D638, la resistencia es insuficiente para aplicaciones de soporte de carga, tales como carreteras y vías férreas, y aún a una tasa de deformación alta de 1 50% /minuto, difícilmente alcanzará 14 M Pa.

Las propiedades deficientes del HDPE y del MDPE son claramente visibles cuando se analizan mediante Análisis Mecánico Di námico (DMA) de acuerdo con la norma ASTM D4065: el módulo de almacenamiento a 23 °C es menor que aproximadamente 400 MPa. El módulo de almacenamiento se deteriora marcadamente a medida que la temperatura aumenta , y va por debajo de los niveles útiles a temperatura de aproximadamente 75 °C, limitando así el uso como refuerzos de soporte de carga . Estas propiedades mecánicas son suficientes para protección de pendientes, pero no para aplicaciones de soporte a largo plazo que estén diseñadas para servicio de más de cinco años.

Otro método para predecir el comportamiento relacionado con la deformación progresiva a largo plazo de los pol ímeros, es la prueba de deformación progresiva acelerada por el método isotérmico escalonado (SIM) de acuerdo con la norma AST 6992. En este método, una muestra polimérica se somete a carga constante bajo un programa de temperatura escalonado. Los aumentos escalonados de temperatura aceleran la deformación progresiva. El método permite la extrapolación de las propiedades de las muestras durante largos periodos de tiempo, aún de más de 100 años. Usualmente, cuando se someten a prueba los PE y PP, la carga que produce deformación plástica de 1 0% se denomina la "resistencia del diseño a largo plazo" y se usa en geosintéticos como la resistencia permitida para los diseños. Las cargas que producen deformación plástica de más de 1 0% se evitan , debido a que el PE y el PP son sometidos a una deformación progresiva de segundo orden por encima de 1 0% de deformación plástica. La deformación progresiva de segundo orden es impredecible y el PE y el PP tienen una tendencia a "agrietarse" de este modo.

Para aplicaciones tales como carreteras, vías férreas y patios de al macenamiento y de estacionamiento con cargas pesadas, esta resistencia de apenas 14 MPa es insuficiente. En particular, las geoceldas con estas propiedades mecánicas moderadas tienden a tener una rigidez relativamente baja y tienden a deformarse plásticamente con tracciones tan bajas como de 8% . La deformación plástica hace que la celda pierda su potencial de confinamiento, esencialmente el mecanismo de refuerzo principal , después de cortos periodos de tiempo o del paso de pocas cantidades de veh ículos (baja cantidad de cargas cíclicas). Por ejemplo, cuando una tira que toma la forma de una geocelda típica en dirección de la máquina (perpendicular al plano de costura) se prueba de acuerdo con la norma ASTM D638 a una tasa de deformación de 20%/minutos o incluso a 1 50%/minuto, la tensión en una deformación de 6% es menor que 1 3 MPa , en una deformación de 8% es menor que 1 3.5 MPa y en una deformación de 1 2% es menor que 1 4 M Pa. Como resultado, las geoceldas de HDPE están limitadas a aplicaciones en donde la geocelda está sometida a baja carga y en donde el confinamiento del relleno que soporta la carga no es obligatorio (por ejemplo, en estabilización del suelo). Las geoceldas no son ampliamente aceptadas en aplicaciones de soporte de carga , tales como carreteras, vías férreas , áreas de estacionamiento o áreas de almacenamiento de contenedores pesados, debido a la alta tendencia a la deformación plástica con bajas tracciones.

Cuando se le aplica una carga vertical a un sustrato de material granular, una parte de esa carga vertical se traslada hasta una carga o presión horizontal. La magnitud de la carga horizontal es igual a la carga vertical multiplicada por el coeficiente de presión de tierra horizontal (también conocido como coeficiente de presión de tierra lateral o LEPC) del material granular. El LEPC puede variar desde aproximadamente 0.2 para materiales buenos tal como la grava y la piedra picada (generalmente partículas duras, deficientemente graduadas, de tal forma que la compactación es muy buena y la plasticidad es mínima) hasta aproximadamente 0.3 hasta 0.4 para los materiales más plásticos como los desechos de cantera o el asfalto reciclado (materiales que tienen u n alto contenido de partículas finas y alto grado de plasticidad). Cuando el material granular está húmedo (por ejemplo, la lluvia o inundación satura la capa intermedia y la sub-base de una carretera), su plasticidad aumenta , y se desarrollan cargas horizontales más altas, proporcionando mayor tensión circunferencial de la pared de la celda.

Cuando el material granular está confinado por una geocelda, y se aplica una carga vertical desde la parte superior mediante una tensión estática o dinámica (tal como la presión proporcionada por una rueda de vehículo o riel de tren), la presión horizontal se traslada a tensión de aro en la pared de la geocelda. La tensión circunferencial es proporcional a la presión horizontal y al radio promedio de la celda, y es inversamente proporcional al espesor de la pared de la celda __c VP*LEPC*r HS = d en donde HS es la tensión circunferencial promedio en la pared de la geocelda , VP es la presión vertical aplicada externamente al material granular por una carga , LEPC es el coeficiente de presión de tierra lateral , r es el radio promedio de la celda y d es el espesor nominal de pared de la celda.

Por ejemplo, una geocelda elaborada de HDPE o de MDPE que tiene un espesor de pared de celda de 1 .5 mil ímetros (incluyendo textura, y el término "espesores de pared" se refiere aqu í en lo sucesivo a la distancia de pico a pico en la sección transversal de la pared celular), un d iámetro promedio (cuando se rellena con material granular) de 230 mil ímetros, una altura de 200 mil ímetros, rellena con arena o desechos de cantera (una LEPC de 0.3) y una carga vertical de 700 kilopascales (kPa), podría experimentar una tensión circunferencial de aproximadamente 1 6 megapascales (M Pa). Como se observa en la ecuación de la tensión circunferencial , el diámetro más grande o el menor espesor de las paredes - que son favorecidos por un punto de vista de econom ía de fabricación - son sometidos a tensiones circunferenciales significativamente mayores, y por ello no funcionan bien como refuerzo cuando se elaboran de HDPE o de MDPE .

Las cargas verticales de 550 kPa son comunes para carreteras no pavimentadas. Se pueden experimentar car<gas significativamente mayores, de 700 kPa o más, en las carreteras (pavimentadas o no pavimentadas) para camiones pesados, cami nos de servicio industriales o áreas de estacionamiento.

Debido a que las aplicaciones de soporte de carga, en especial carreteras y vías férreas, generalmente están sometidas a millones de cargas cíclicas , es necesario que la pared de la geocelda conserve sus dimensiones originales bajo carga cíclica con muy poca deformación plástica. El uso comercial de geoceldas de HDPE está limitado a aplicaciones que no son para soporte de carga debido a que el HDPE típicamente alcanza su l ímite plástico aproximadamente a una tracción de 8%, y a tensiones por debajo de las tensiones típicas que se encuentran comúnmente en aplicaciones de soporte de carga .

Sería deseable proporcionar una geocelda que tenga rigidez y resistencia mayores, menor tendencia a deformarse a temperaturas elevadas, mejor retención de su elasticidad a temperaturas por encima de la temperatura ambiente (23 °C), tendencia reducida a experimentar deformación plástica bajo cargas repetidas y continuas, y/o largos periodos de servicio.

Breve descripción de la invención En las modalidades descritas están geoceldas que proporcionan suficiente rigidez y pueden aceptar altas tensiones sin deformación plástica. Estas geoceldas son apropiadas para aplicaciones de soporte de carga, tales como pavimentos, carreteras, vías férreas, áreas de estacionamiento, pistas de aeropuertos y áreas de almacenamiento. También se describen métodos para elaborar y usar tales geoceldas.

En algunas modalidades se describe una geocelda formada de tiras poMméricas, al menos una tira polimérica que tiene un módulo de almacenamiento de 500 MPa o más cuando se mide en dirección de la máquina mediante Análisis Mecánico Dinámico (DMA) de acuerdo con la norma ASTM D4065 a 23 °C y a una frecuencia de 1 Hz.

La al menos una tira polimérica puede tener un módulo de almacenamiento de 700 MPa o más, incluyendo un módulo de almacenamiento de 1000 MPa o más.

La al menos una tira polimérica puede tener una tensión a una deformación de 12% de 14.5 MPa o más cuando se mide de acuerdo con el procedimiento Izhar a 23 °C, incluyendo una tensión a deformación de 12% de 16 MPa o más o una tensión a deformación de 12% o 18 MPa o más.

La al menos una tira polimérica puede tener un coeficiente de expansión térmica de 120 x 10-6 / °C o menos a 25 °C de acuerdo con ASTM D696.

La geocelda se puede usar en una capa de pavimento, carretera, vía férrea o área de estacionamiento. La geocelda puede llenarse con un material granular seleccionado del grupo constituido por arena, grava, piedra picada, balasto, desechos de cantera, concreto triturado, asfalto reciclado, ladrillos triturados, desechos de edificaciones y escombros, vidrio triturado, cenizas de plantas de energía, cenizas volantes, cenizas de carbón, escoria de alto horno de hierro, escoria de fabricación de cemento, escoria de acero, y mezclas de ellos.

En otras modalidades se describe una geocelda formada de tiras poliméricas , al menos una tira polimérica que tiene un módulo de almacenamiento de 1 50 M Pa o más cuando se mide en dirección de la máq uina mediante Análisis Mecánico Dinámico (DMA) de acuerdo con la norma ASTM D4065 a 63 °C y a una frecuencia de 1 Hz.

La al menos una tira polimérica puede tener un módulo de almacenamiento de 250 MPa o más, incluyendo un módulo de almacenamiento de 400 M Pa o más.

En todavía otras modalidades se describe una geocelda formada de tiras poliméricas, al menos una tira polimérica que tiene una tensión de diseño a largo plazo de 2.6 M Pa o más, cuando se mide de acuerdo con el procedimiento PRS S IM .

La al menos una tira polimérica puede tener una tensión de diseño a largo plazo de 3 MPa o más, incluyendo una tensión de diseño a largo plazo de 4 MPa o más.

Estas y otras modalidades se describen con mayor detalle más adelante.

Breve descripción de los dibujos La siguiente es una breve descripción de los dibujos, los cuales se presentan para los fines de ilustrar las modalidades ejemplares descritas aquí y no para los fines de limitar la misma.

La Figura 1 es una vista en perspectiva de una geocelda .

La figura 2 es un diagrama que muestra una modalidad ejemplar de una tira polimérica utilizada en las geoceldas de la presente descripción .

La Figura 3 es un diagrama que muestra otra modalidad ejemplar de una tira polimérica utilizada en las geoceldas de la presente descripción.

La Figura 4 es un diagrama que muestra otra modalidad ejemplar de una tira polimérica utilizada en las geoceldas de la presente descri pción .

La Figura 5 es un gráfico que compara los resultados de tensión - deformación de varias celdas de la presente descripción contra un ejemplo comparativo.

La Figura 6 es un gráfico que muestra el diagrama tensión -deformación para las celdas de la presente descripción .

La Figura 7 es un gráfico que muestra los resultados de una prueba de carga vertical para una celda ejemplar de la presente descripción contra un ejemplo comparativo.

La Figura 8 es un gráfico del módulo de almacenamiento y la Delta Tan contra la temperatura para una tira de control.

La Figura 9 es un gráfico del módulo de almacenamiento y la Delta Tan contra la temperatura para una tira polimérica que se utiliza en las geoceldas de la presente descripción .

Descripción detallada de la invención La siguiente descripción detallada se proporciona para permitir a una persona con habilidades ordinarias en la técnica elabora y use las modalidades descritas aquí y expone los mejores modos contemplados para llevar a cabo estas modalidades. Diversas modificaciones, sin embargo, serán , evidentes para las personas con habilidades ordinarias en la técnica y se debe considerar que están dentro del alcance de esta descripción .

Un entendimiento más completo de los componentes, procesos y aparatos descritos aqu í se puede obtener mediante referencia a los dibujos anexos. Estas figuras son meramente representaciones esquemáticas que se basan en la conveniencia y la facilidad de demostración de la presente descripción , y por lo tanto, no están destinadas a indicar el tamaño y dimensiones relativas de los dispositivos o componentes de ella y/o a definir o limitar el alcance de las modalidades ejemplares.

La Figura 1 es una vista en perspectiva de una geocelda de una sola capa. La geocelda (10) comprende una pluralidad de tiras poliméricas ( 1 4). Las tiras adyacentes están unidas juntas mediante uniones físicas discretas ( 16). La unión puede ser desarrollada mediante pegado, costura o soldadura, pero generalmente se realiza por soldad ura . La parte de cada tira entre dos uniones ( 1 6) forma una pared de celda ( 1 8) de una celda individual (20). Cada celda (20) tiene paredes de celda elaboradas de dos diferentes tiras poliméricas. Las tiras ( 14) están pegadas juntas para formar un patrón de colmena a partir de la pluralidad de tiras. Por ejemplo, la tira exterior (22) y la tira interior (24) se pegan juntas mediante uniones físicas ( 1 6), las cuales están separadas regularmente a lo largo de la longitud de las tiras (22) y (24). Un par de tiras i nteriores (24) están pegadas juntas mediante uniones físicas (32). Cada unión (32) está entre dos uniones ( 16). Como resultado, cuando la pluralidad de tiras ( 1 4) es estirada en una dirección perpendicular a las caras de las tiras, las tiras se doblan en forma sinusoidal para formar la geocelda ( 10). En el borde de la geocelda en donde los extremos de las dos tiras poliméricas (22, 24) se encuentran , una soldad ura final (26) (también considerada una unión) se hace a corta distancia del extremo (28) para formar una cola (30) corta que estabiliza las dos tiras poliméricas (22, 24).

Las geoceldas de la presente descripción están elaboradas de tiras poliméricas que tienen ciertas propiedades físicas. En particular, la tira polimérica tiene una tensión a la deformación , o en una deformación de 12% cuando la tira polimérica no tiene límite de elasticidad , de 14.5 MPa o más cuando se mide en la dirección de la máquina (perpendicular al plano de costura en la celda de la geocelda) en una tasa de deformación de 20% /minuto o 1 50% /minuto. En otras modalidades, la tira polimérica tiene una deformación de 1 0% o menos con una tensión de 1 4.5 MPa , cuando se mide como se describe. En otras palabras, la tira polimérica puede soportar tensiones de 1 4 MPa o más sin alcanzar su punto de deformación . Otros sinónimos para el límite de elasticidad incluyen tensión al l ímite de elasticidad , l ímite elástico o límite plástico. Cuando la tira polimérica no tiene l ímite de elasticidad , la tensión se considera en una deformación de 1 2%. Estas mediciones se refieren a las propiedades de tensión de la tira polimérica en la dirección de la máquina , a 23 °C , no a sus propiedades de flexión .

Debido a que muchas geoceldas son perforadas, la medición de la tensión y de la deformación de acuerdo con las normas ASTM D638 o ISO 527 general mente es imposible. Por ello, las mediciones se toman de acuerdo con el siguiente procedimiento, que es una versión modificada de dichas normas y se denomina aqu í el "procedimiento Izhar". Una tira de 50 mm de longitud y 10 mm de ancho se toma como muestra en la dirección paralela al nivel del terreno y perpendicular al plano de costura de la celda (es decir, en dirección de la máquina). La tira se sujeta con abrazaderas de tal forma que la distancia entre las abrazaderas sea de 30 mm . Luego se estira la tira moviendo las abrazaderas apartándose una de la otra a una velocidad de 45 milímetros (mm) por minuto, lo que se traduce en una tasa de deformación de 1 50% / minuto, a 23 °C. La carga proporcionada por la tira en respuesta a dicha deformación es vigilada por una celda de carga. La tensión (N/mm2) se calcula en diferentes deformaciones (la deformación es el i ncremento de longitud , dividido por la longitud original). La tensión se calcula dividiendo la carga en una deformación específica por la sección transversal nominal original (el ancho de la tira multiplicado por el espesor de la tira). Dado que la superficie de la tira de geocelda usualmente es texturizada, el espesor de la muestra se mide simplemente como la distancia de "pico a pico" promediada entre tres puntos en la tira (Por ejemplo, una tira que tenga una textura similar a diamante en relieve, y que tenga una distancia entre la textura más superior del lado de arriba y la textura más inferior del lado de abajo de 1.5 mm, se considera como un espesor de 1.5 mm). La tasa de deformación de 150%/ minuto es más relevante para los pavimentos y las vías férreas, en donde cada ciclo de carga es muy corto.

En otras modalidades, la tira polimérica puede ser caracterizada como que tiene: una deformación como mucho de 1.9% con una tensión de 8 MPa; una deformación como mucho de 3.7% con una tensión de 10.8 MPa; una deformación como mucho de 5.5% con una tensión de 12.5 MPa; una deformación como mucho de 7.5% con una tensión de 13.7 MPa; una deformación como mucho de 10% con una tensión de 14.5 MPa; una deformación como mucho de 12.5% con una tensión de 15.8 MPa; La tira polimérica también puede tener, opcionalmente, una deformación cuando mucho de 14%, con una tensión de 16.5 MPa; y/o una deformación como mucho de 17% con una tensión de 17.3 MPa.

En otras modalidades, la tira polimérica puede ser caracterizada como que tiene una tensión de al menos 14.5 MPa con una deformación de 12%; una tensión de al menos 15.5 MPa con una deformación de 1 2%; y/o una tensión de al menos 16.5 M Pa con una deformación de 12% .

En otras modalidades, la tira polimérica puede caracterizarse como que tiene un módulo de almacenamiento de 500 MPa o más a 23 °C, medida en dirección de la máquina mediante Análisis Mecánico Dinámico (DMA) a una frecuencia de 1 Hz. Como con la medición traccional tensión-deformación , el espesor para el análisis DMA se toma como la distancia de "pico a pico", promediada entre tres puntos. Las mediciones de DMA descritas en la presente descripción se hacen de acuerdo con ASTM D4065.

En otras modalidades, se puede caracterizar a la tira polimérica como que tiene un módulo de almacenamiento de 250 MPa o más a 50 °C, medido en dirección de la máquina mediante Anál isis Mecánico Dinámico (DMA) con una frecuencia de 1 Hz.

En otras modalidades, la tira polimérica se puede caracterizar como que tiene un módulo de almacenamiento de 1 50 M Pa o más a 63 °C, medido en dirección de la máquina mediante Análisis Mecánico Dinámico (DMA) con una frecuencia de 1 Hz.

En otras modalidades, se puede caracterizar la ti ra pol imérica como que tiene una Delta Tan e 0.32 o menos a 75 °C, medida en dirección de la máquina mediante Análisis Mecánico Dinámico (DMA) con una frecuencia de 1 Hz. Estas propiedades novedosas están más allá de las propiedades de las geoceldas típicas de HDPE o de MDPE .

El Análisis Mecánico Dinámico (DMA) es una técnica q ue se usa para estudiar y caracterizar la naturaleza viscoelástica de los pol ímeros. Generalmente, se aplica una fuerza oscilatoria a una muestra de material y el desplazamiento cíclico resultante de la muestra se mide contra la carga cíclica. Mientras mayor sea la elasticidad , menor será el tiempo de demora (fase) entre la carga y el desplazamiento. A partir de esto, se puede determinar la rigidez pura (módulo de almacenamiento) de la muestra, así como también el mecanismo de disipación (pérdida de módulo) y la proporción entre ellos (Delta Tan). El DMA también se describe en la norma ASTM .

Otro aspecto de la geocelda de la presente descripción es su menor coeficiente de expansión térmica (CTE) con relación al HDPE o al MDPE actual . El CTE es importante debido a que la expansión o contracción durante el ciclo térmico es otro mecanismo que proporciona tensiones circunferenciales adicionales también . El HDPE y el M DPE tienen un CTE de aproximadamente 200 x 1 O"6 /°C o menos a 23 °C, y en modalidades específicas aproximadamente 120 x 1 0-6 /°C o menos a 23 °C cuando se mide de acuerdo con la norma ASTM D696. El CTE de la geocelda de la presente descripción tiene menor tendencia a aumentar a temperaturas elevadas.

Otro aspecto de la geocelda de la presente descripción es su menor tendencia a la deformación progresiva bajo carga constante. La menor tendencia a la deformación progresiva se mide de acuerdo con la prueba acelerada de deformación progresiva mediante el método isotérmico escalonado (SIM ) como se describe en la norma ASTM 6992. En este método, se somete una muestra polimérica a una carga constante bajo un programa de temperatura escalonada (es decir, la temperatura se aumenta y se mantiene constante durante un periodo predeterminado). Los escalones de temperatura elevada aceleran la deformación progresiva. El procedimiento de la prueba SIM se aplica a una muestra de 1 00 mm de ancho y una longitud neta de 50 mm (distancia entre abrazaderas). La muestra se carga mediante una carga estática y se calienta de acuerdo con un procedimiento que comprende los escalones: El procedimiento S I M se denomina aquí "el procedimiento S IM PRS". Se mide la deformación plástica (aumento irreversible de longitud , dividido por la longitud inicial) al final del procedi miento. La deformación plástica se mide contra cargas diferentes, y la carga que produce deformación plática de 1 0% o menos se denomina la "carga de diseño a largo plazo". La tensión relacionada con la carga de diseño a largo plazo (dicha carga, dividida por (ancho original multiplicado por el original)) es la "tensión de diseño a largo plazo" y proporciona la tensión circunferencial permitida q ue la geocelda puede tolerar durante un periodo de tiempo largo bajo una carga estática .

Una geocelda de HDPE típica, cuando se somete al procedimiento de S IM PRS, difícilmente puede proporcionar una tensión de diseño a largo plazo de 2.2 MPa.

En algunas modalidades, la tira polimérica de acuerdo con la presente descripción se caracteriza por una tensión de diseño a largo plazo de 2.6 MPa o más, incluyendo una tensión de diseño a largo plazo de 3 MPa o más, o aún de 4 M Pa o más.

A diferencia de las geoceldas de HDPE , la geocelda de la presente descripción puede proporcionar propiedades significativamente mejores hasta 1 6% de deformación y en algunas modalidades hasta 22% de deformación. En particular, la geocelda puede responder elásticamente a tensiones mayores que 1 4.5 MPa , proporcionando así las propiedades requeridas para aplicaciones de soporte de carga. La respuesta elástica garantiza la recuperación completa a las dimensiones originales cuando se quita la carga. La geocelda proporcionará al relleno una capacidad de soportar carga mayor y un mayor retorno a su diámetro original bajo cargas repetidas (es decir, cargas cíclicas). Además, la geocelda de la presente descripción se puede usar con materiales granulares que generalmente no se pueden usar en capas intermedias y sub-bases, tal como se describe aquí adicionalmente. La geocelda de la presente descripción también permite mejor soporte de carga y resistencia a la fatiga bajo condiciones húmedas, especialmente cuando se usan materiales granulares de grano fino .

La tira polimérica puede incluir un pol ímero de polietileno (PE), tal como HDPE, MDPE o LDPE , que ha sido modificado como se describe adicionalmente más adelante.

La tira polimérica también puede incluir un pol ímero de polipropileno. Aunque la mayoría de los homopol ímeros de PP son demasiado frágiles y la mayoría de los copolímeros de PP son demasiado blandos para aplicaciones de soporte de carga, algunos grados de pol ímeros de PP son útiles. Estos pol ímeros de PP pueden ser suficientemente rígidos para la aplicación de soporte de carga, pero lo suficientemente blandos como para que se pueda doblar la geocelda. Los pol ímeros de polipropileno ejemplares adecuados para la presente descripción incluyen copol ímeros de polipropileno aleatorios, copolímeros de polipropileno de impacto , mezclas de polipropileno con un monómero de etileno-propileno-dieno (EPDM) o con un elastómero a base de copol ímero de etileno-alfa olefina, y copol ímeros en bloque de polipropileno.

Estos polímeros de PP están disponibles comercialmente como R338-02-N en Dow Chemical Company; copol ímero de impacto de grado PP 71 EK71 PS en SABIC Innovative Plastics. Los ejemplos de elastómeros a base de copol ímero de etileno-alfa olefina incluyen los elastómeros Exact® fabricados por Exxon Mobil y los elastómeros Tafmer® fabricados por Mitsui . Dado que los pol ímeros de PP son quebradizos a temperaturas bajas (menores que aproximadamente menos 20 °C), y tienden a deformarse progresivamente bajo cargas estáticas o cíclicas , las geoceldas de la presente descripción , que incorporan PP, pueden soportar menos carga y pueden tener más restricciones con respecto a sus temperaturas de operación que las geoceldas de la presente descripción , las cuales incorporan H DPE .

Los polímeros de PP y/o de PE o cualquier otra com posición poli mérica de acuerdo con la presente descripción , generalmente son modificados a través de diversos procesos de tratamiento y/o aditivos, para obtener las propiedades físicas requeridas. El tratamiento más efectivo es el tratamiento posterior a la extrusión ya sea corriente abajo de la máquina de extrusión , o en un proceso separado posterior. Usualmente, los pol ímeros de bajo grado de cristalinidad tales como LDPE, MDPE y algunos pol ímeros de PP requerirán un proceso posterior a la extrusión tal como orientación , reticulación y/o templado térmico, mientras que los pol ímeros de alto grado de cristalinidad pueden ser extruidos como tiras y soldados juntos para formar una geocelda sin la necesidad de aplicar tratamiento posterior a la extrusión .

En algunas modalidades, la tira polimérica comprende una mezcla (usualmente como una aleación compatibilizada) de (i ) un pol ímero de alto desempeño y (ii) un pol ímero de polietileno o de polipropileno. Un polímero de alto desempeño es un polímero que tiene ( 1 ) un módulo de almacenamiento de 1400 MPa o más a 23 °C, medido en dirección de la máquina mediante Análisis Mecánico Dinámico (DMA) en una frecuencia de 1 Hz de acuerdo con la norma ASTM D4065; o (2) una resistencia traccional final de al menos 25 MPa . Los ejemplos de pol ímeros de alto desempeño incluyen resinas de poliamida , resinas de poliéster y resinas de poliuretano. Los pol ímeros de alto desempeño particularmente apropiados incluyen tereftalato de polietileno (PET), poliamida 6, poliamida 66, poliamida 6/66, poliamida 1 2 y copolímeros de ellos. El pol ímero de alto desempeño típicamente comprende desde aproximadamente 5 hasta aproximadamente 85 por ciento por peso de la tira polimérica . En modalidades particulares, el pol ímero de alto desempeño es desde aproximadamente 5 hasta aproximadamente 30 por ciento de la tira polimérica , incluyendo desde aproximadamente 7 hasta aproximadamente 25 por ciento por peso.

Las propiedades de las tiras poliméricas se pueden modificar ya sea antes de formar la geocelda (mediante soldadura de las tiras) o después de formar la geocelda. Las tiras poliméricas generalmente se elaboran extruyendo una lámina de material polimérico y cortando tiras de dicha lámina de material polimérico, y la modificación generalmente se hace a la lámina por eficiencia. La modificación se puede hacer en línea con el proceso de extrusión , después de que la fusión se forme en una lámi na y de q ue la lámina se enfríe a menos de la temperatura de fusión , o como un proceso secundario después de que la lámina se separe del molde de extrusión . La mod ificación se puede hacer tratando la lámina, las tiras y/o la geocelda mediante reticulación, cristalización , templado , orientación y combinaciones de ellos.

Por ejemplo, una lámina que tenga de 5 a 100 cm de ancho se puede esti rar (es decir, orientación) en un rango de temperatura desde aproximadamente 25 °C hasta aproximadamente 10 °C por debajo de la temperatura de fusión pico (Tm) de la resina polimérica que se usa para elaborar la lámina . El proceso de orientación cambia la longitud de la tira, de tal forma que la tira puede aumentar de longitud desde 2% hasta 500% con relación a su longitud original. Después de estirarla, la lámina puede ser templada. El templado puede ocurrir a una temperatura que es de 2 a 60 ° menor que la temperatura pico de fusión (Tm) de la resina polimérica utilizada para elaborar la lámina . Por ejemplo, si se obtiene una lámina de H DPE , M DPE o de PP, el estiramiento y/o el templado se realiza a una temperatura desde aproximadamente 24 °C hasta 1 50 °C . Si se somete a templado una aleación polimérica , la temperatura de templado es de 2 a 60 °C menor que la temperatura pico de fusión (Tm) de la fase de HDPE , MDPE o PP.

En algunas modalidades específicas, se estira una lámina o tira poli mérica para aumentar su longitud en 50% (es decir, de tal forma que la longitud final sea de 1 50% la longitud original ). El estiramiento se realiza a una temperatura de aproximadamente 1 00 -125 °C en la superficie de la lámina o tira polimérica. El espesor se reduce en 10% a 20% debido al estiramiento.

En otras modalidades, una lámina o tira polimérica se retícula por irradiación con un haz de electrones después de extrusión o mediante la adición de una fuente de radical libre a la composición polimérica antes de fundirse o durante el amasado de la fusión en la extrusora .

En otras modalidades, las propiedades requeridas para la geocelda se pueden obtener proporcionando tiras poli méricas de múltiples capas. En algunas modalidades, las tiras poliméricas tienen al menos dos, tres, cuatro o cinco capas.

En algunas modalidades como la q ue se muestra en la Figura 2, la tira polimérica ( 100) tiene al menos dos capas (1 10), ( 120), en donde dos de las capas están elaboradas de la misma o de diferentes composiciones y al menos una capa está hecha de un pol ímero de alto desempeño o un compuesto de pol ímero que tiene ( 1 ) módulo de almacenamiento de 1400 MPa o más a 23 °C, med ido en la dirección de la máquina mediante Análisis Mecánico Dinámico (DMA) en una frecuencia de 1 Hz de acuerdo con la norma ASTM D4065; o (2) una resistencia traccional final de al menos 25 M Pa. En otras modalidades, una capa comprende un pol ímero de alto desempeño y la otra capa comprende un polímero de polietileno o de polipropileno, que puede ser una mezcla o una aleación de un polímero de polietileno o de polipropileno con otros pol ímeros, agentes de carga, aditivos, fibras y elastómeros. Los ejemplos de resinas de alto desempeño incluyen poliamidas, poliésteres, poliuretanos; aleaciones de ( 1 ) poliamidas, poliésteres o poliuretanos con (2) LDPE , MDPE, HDPE o PP, y copol ímeros, copol ímeros en bloq ue, mezclas o combinaciones de cualesquiera dos de los tres polímeros (poliamidas, poliésteres, poliuretanos).

En otras modalidades que se muestran en la Figura 3, la tira polimérica (200) tiene cinco capas. Dos de las capas son capas exteriores (21 0), una capa es una capa de núcleo (230), y las dos capas intermedias (220) unen la capa de núcleo a cada capa exterior (es deci r, de tal forma que las capas intermedias sirven como capas de u nión). Esta tira de cinco capas puede formarse por coextrusión .

En otras modalidades, la tira polimérica (200) tiene solamente tres capas. Dos de las capas son capas exteriores (21 0), y la tercera capa es una capa de núcleo (230). En esta modalidad , las capas intermedias (220) no están presentes. Esta tira de tres capas puede ser formada por coextrusión .

Las capas exteriores pueden proporcionar resistencia contra la descomposición por luz ultravioleta e hidrólisis, y tienen buena capacidad de ser soldadas. La capa exterior puede ser elaborada e un pol ímero seleccionado del grupo que consiste en HDPE , MDPE , LDPE, polipropileno, mezclas de ellos, y aleaciones de ellos con otros compuestos y pol ímeros. Esos pol ímeros pueden ser mezclados con elastómeros, especialmente EPDM y copol ímeros de etileno-alfa olefina. La capa de núcleo y/o la capa exterior también puede estar formada de aleaciones de ( 1 ) HDPE, MDPE, LDPE o de PP con (2) una poliamida o poliéster. Cada capa exterior puede tener un espesor desde aproximadamente 50 hasta aproximadamente 1 500 micrómetros (mieras).

Las capas intermedias (de unión) pueden ser elaboradas de copol ímeros o terpol ímeros de HDPE funcionalizados, copolímero o terpol ímeros de PP funcionalizados, un copol ímero de etileno polar, o un terpol ímero de etileno polar. Generalmente, los copol ímeros o terpol ímeros de HDPE y de PP contienen grupos finales reactivos y/o grupos laterales reactivos, los cuales permiten la formación de unión qu ímica entre las capas intermedias (capas de unión) y la capa exterior. Los ejemplos de grupos laterales reactivos incluyen carboxilo, anhídrido, oxirano, amino, amido, éster, oxazolina , isocianato o combinaciones de ellos. Cada capa intermedia puede tener un espesor dése aproximadamente 5 hasta aproxi madamente 500 micrómetros. Las resinas de capa intermedia incluyen resinas Lotader® fabricadas por Arkema y Elvaloy®, Fusabond® o Suriyn® fabricadas por DuPont.

La capa de núcleo y/o exterior puede comprender un poliéster y aleaciones de él con PE, o PP, una poliamida y aleaciones de ella con PE o con PP. Los ejemplos de poliamidas incluyen poliamida 6, poliamida 66 y poliamida 12. Los poliésteres de ejemplo incluyen tereftalato de polietileno (PET) y tereftalato de pol i butileno (PBT). La capa de núcleo y/o exterior puede tener un espesor desde aproximadamente 50 hasta aproximadamente 2000 micrómetros.

En otras modalidades como la que se muestra en la Figura 4, la tira polimérica (300) tiene tres capas: una capa superior (31 0), una capa central (320) y una capa inferior (330). La capa superior es la misma que la capa exterior previamente descrita ; la capa central es la misma que la capa intermedia previamente descrita, y la capa inferior es la misma que la de núcleo previamente descrita.

Las geoceldas generalmente están en relieve (texturizadas presionando la masa semisólida después de la extrusión contra un rodillo texturizado) para aumentar la fricción con relleno granular o con tierra . Las geoceldas también pueden ser perforadas para mejorar la fricción con relleno granular y drenaje de agua . Sin embargo, tanto el relieve como la perforación reducen la rigidez y la resistencia de la geocelda. Dado que estos auxiliares de fricción usualmente están presentes, es necesario proporcionar resistencia y rigidez mejoradas a la geocelda, alterando su composición poli mérica y/o su morfología.

La tira polimérica puede comprender además aditivos para lograr las propiedades físicas requeridas. Estos aditivos pueden seleccionarse, entre otros, de agentes de nucleación , agentes de carga, fibra, nanopartículas, estabilizadores de luz amina con impedi mento estérico (HALS), antioxidantes, absorbedores de luz UV y negro de carbón .

Los agentes de carga pueden tener la forma de polvos, fibras o filamentos. Los agentes de carga ejemplares incluyen un óxido metálico, tal como óxido de aluminio, un carbonato metálico , tal como carbonato de calcio, carbonato de magnesio o carbonato de calcio-magnesio; un sulfato metálico, tal como sulfato de calcio, un fosfato metálico, un silicato metálico, especialmente talco, caol ín , mica o wollastonita, un borato metálico, un hidróxido metálico, un sílice, un silicato, un alumo-silicato, gis, talco, dolomita, una fibra o filamento orgánico o inorgánico, un metal , partículas inorgánicas con recubrimiento metálico, arcilla, caolín , ceniza industrial, polvo de concreto, cemento o mezclas de ellos. En algunas modalidades, el agente de carga tiene un tamaño promedio de partícula de menos de 10 mieras, y en algunas modalidades, también tiene una proporción de aspecto de más de uno. En modalidades específicas, el agente de carga es mica, talco, caol ín y/o wollastonita. En otras modalidades, las fibras tienen un diámetro menor que 1 miera.

Se le pueden añadir nanopartículas a la composición polimérica para diversos propósitos. Por ejemplo, las nanopartículas sólidas inorgánicas que absorben los rayos UV prácticamente no tienen movilidad y por lo tanto son muy resistentes contra filtraciones y/o evaporación . Las nanopartículas sólidas que absorben UV también son transparentes en el espectro visible y se distribuyen muy uniformemente. Por lo tanto, proporcionan protección sin ninguna contribución al color o matiz del pol ímero. Los ejemplos de nanopartículas que absorben UV comprenden un material seleccionado del grupo constituido por sales de titanio, óxidos de titanio, óxidos de zinc, haluros de zinc, y sales de zinc. En modalidades particulares, las partículas absorbentes de UV son dióxido de titanio. Los ejemplos de partículas absorbentes de UV disponibles comercialmente son SACHTLEBEN™ Hombitec RM 1 30F TN , de Sachtleben , óxido de zinc ZANO™ de Umicore, óxido de zinc NanoZ™ de Advanced Nanotechnology Limited y Ad Nano Zinc Oxide™ de Degussa.

Las tiras poliméricas a partir de las cuales se forma la geocelda , se elaboran mediante varios procesos. Generalmente, el proceso comprende fundir una composición polimérica , extruir la composición a través de una boquilla extrusora como una lámina fundida , formar y opcionalmente texturizar la lámina resultante, tratar la lámina como sea necesario para obtener las propiedades deseadas, cortar la lámina en tiras, y soldar, coser , pegar o ribetear las tiras formadas a partir de la lámina juntas en una geocelda. Primero, los diversos componentes, tales como las resinas poliméricas y cualquier aditivo deseado, se amasan fundidos, usualmente en una extrusora o co-amasadora. Esto se puede hacer, por ejemplo, en una extrusora, tal como una extrusora de doble tornillo o una extrusora de un solo tornillo con suficientes elementos de mezclado, q ue proporcionen el calor y el esfuerzo cortante necesarios con mínima degradación del polímero. La composición se amasa fundida de tal forma que cualesquiera aditivos se dispersen completamente. Luego se extruye la composición a través de una boquilla , y se presiona entre calandrias de metal en forma de lámina . Los ejemplos de tratamiento proporcionados corriente abajo de la boquilla de la extrusora i ncluyen texturización de la superficie de la lámina , perforación de la lámina , orientación (unidireccional o bidireccional), irradiación con haz de electrones o con rayos x, y templado térmico. En algunas modalidades, la lámina se trata con calor para aumentar la cristalinidad y reducir las tensiones internas. En otras modalidades, la lámina se trata con calor para aumentar la cristalinidad y reducir las tensiones internas. En otras modalidades , la lámi na se trata para inducir la reticulación en la resina polimérica por medio de un haz de electrones, rayos x, tratamiento con calor y combinaciones de ellos. Las combinaciones de los tratamientos anteriores también están contempladas.

Se pueden formar tiras de la lámina resultante y soldarse, coserse o pegarse juntas para formar una geocelda. Estos métodos son conocidos en la técnica . La geocelda resultante es capaz de conservar su rigidez bajo ciclos de carga prolongados durante periodos de tiempo extendidos.

Las geoceldas de la presente descripción son útiles para aplicaciones de soporte de carga para las cuales no se pueden utilizar las geoceldas actuales. En particular, las presentes geoceldas se pueden usar también en materiales de relleno que típicamente no son adecuados para aplicaciones de soporte de carga para capas intermedias, sub-bases y sub-grados.

En particular, las geoceldas de la presente descripción permiten el uso de materiales para el relleno que previamente eran inadecuados para su uso en aplicaciones de soporte de carga, tales como capas intermedias y sub-bases, debido a su rigidez insuficiente y a su resistencia a la fatiga relativamente baja (en materiales granulares, la resistencia a la fatiga también se conoce como módulo resiliente). Los ejemplos de materiales granulares de relleno que se pueden usar ahora incluyen desechos de cantera (la fracción fina que q ueda después de la clasificación de materiales granulares de buena calidad ), concreto triturado, asfalto reciclado, ladrillos triturados, desechos de edificaciones y escombros, vidrio triturado, cenizas de plantas de energía , cenizas volantes, cenizas de carbón , escorias de altos hornos de hierro, escorias de fabricación de cemento, escorias de acero y mezclas de ellos.

La presente invención se ilustrará ahora adicional mente en los siguientes ejemplos de trabajo no limitativos, estando entendido que estos ejemplos pretenden ser ilustrativos solamente y q ue la descripción no está destinada a limitarse en los materiales, condiciones, parámetros de procesos y similares indicados aqu í.

Ejemplos Algunas geoceldas se elaboraron y se sometieron a prueba para determinar su respuesta tensión-deformación , sus propiedades de DMA y su impacto sobre la capacidad de contener material granular.

Generalmente, las propiedades de tensión traccional-deformación fueron medidas por el procedimiento Izhar descrito previamente. La carga en diferentes deflexiones se midió o se trasladó a Newton (N ). La deflexión se mide o se traduce en mil ímetros (mm). La tensión se calculó dividiendo la carga en una deflexión específica por la sección transversal original de la tira (ancho original multiplicado por el espesor original , en donde el espesor es la distancia nominal de pico a pico entre la cara superior y la cara inferior). La deformación (%) se calculó dividiendo la deflexión específica (mm) por» la longitud original (mm) y multiplicándola por 100.

Ejemplo comparativo 1 Se obtuvo una geocelda elaborada de polietileno de alta densidad (HDPE) disponible comercialmente en Presto Geosystems (Wisconsin, EE.UU. AA.) y se sometieron a prueba sus propiedades. El espesor promedio de pared de la celda fue de 1.5 mm y la tira tuvo una textura de diamante como células verticales. La geocelda no fue perforada. Su respuesta tensión -deformación de acuerdo con el procedimiento Izhar se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1 Con una deformación de aproximadamente 8% y una tensión de aproximadamente 13.4 MPa, el Ejemplo Comparativo comenzó a experimentar una deformación plástica intensa y en realizada alcanzó su límite de elasticidad aproximadamente en una deformación de 8%. En otras palabras, después de la liberación de tensión, la muestra no recuperó su longitud original, sino que permaneció más larga de manera permanente (deformaciones residuales permanentes). Este fenómeno es indeseable para sistemas de confinamiento de celdas para aplicaciones de soporte de carga, especialmente para aquellos sometidos a muchos (10,000 - 1,000,000 y más ciclos durante el ciclo de vida del producto) y es la razón para el desempeño deficiente de las geoceldas de HDPE como soportes de carga para pavimentos y vías férreas.

Ejemplo 1 Se extruyó una tira de HDPE, y se puso en relieva para proporcionar una textura similar a la del Ejemplo Comparativo 1. La tira tuvo un espesor de 1.7 mm, y luego se estiró a una temperatura de 100 °C (en la superficie de la tira) de tal forma que la longitud aumentó en 50% y el espesor se redujo en 25%. La respuesta tensión - deformación de esta tira de HDPE se midió de acuerdo con el procedimiento Izhar y se muestra en la Tabla 2.

Tabla 2 La tira del Ejemplo 1 conservó una respuesta elástica hasta 12% de deformación sin un límite de elasticidad y sin alcanzar su límite plástico en tensiones mayores que 17 MPa.

La recuperación de las dimensiones iniciales después de la liberación de la carga fue cercana al 100%.

Ejemplo 2 Una composición de aleación polimérica de alto desempeño que contenía 12% por peso de poliamida 12, 10% por peso de terefatalato de polibituleno, 5% de polietileno injertado con compatibilizador anhídrido maleico (Bondyram® 501, fabricado por Polyran), y 73% de HDPE, se extruyó para formar una lámina texturizada de 1.5 mm de espesor. La respuesta tensión -deformación de una tira formada de la composición se midió de acuerdo con el procedimiento Izhar y se muestra en la Tabla 3.

Tabla 3 tira del Ejemplo 2 mantuvo una respuesta elástica hasta 14% de deformación y tensiones mayores que 17 MPa, sin un límite de elasticidad y sin alcanzar su límite plástico. La recuperación de dimensiones iniciales, después de la liberación de la carga fue de cerca de 100%.

La figura 5 es un gráfico que muestra los resultados de tensión -deformación para el Ejemplo Comparativo 1, el Ejemplo 1 y el Ejemplo 2. Un punto adicional en (0.0) se ha añadido para cada resultado. Como puede verse, el Ejemplo y el Ejemplo 2 no tienen un límite de elasticidad definido, y el aumento mantenido en la tensión sin límite de elasticidad hasta 12-14% de deformación en tensiones de más de 17 MPa, mientras el ejemplo Comparativo 1 alcanzó su límite de elasticidad con una deformación de 8-10% y una tensión de aproximadamente 14 MPa. Esto se traduce en un rango mayor en el cual se mantiene una respuesta elástica. El hecho de que no se observara ningún límite de elasticidad para el Ejemplo 1 y el Ejemplo 2 es importante cuando se espera la carga cíclica y la capacidad de regresar a las dimensiones originales (y por ello al confinamiento máximo del relleno) es crucial.

La Figura 6 es un gráfico que muestra la diferencia entre el resultado de tensión-deformación del Ejemplo Comparativo 1 y una tira polimérica de la presente invención, caracterizada porque tiene una deformación como máximo de 1.9% con una tensión de 8 MPa; una deformación como máximo de 3.7% con una tensión de 10.8 MPa, una deformación como máximo de 5.5% con una tensión de 12.5 MPa; una deformación como máximo de 7.5% con una tensión de 13.7 MPa; una deformación como máximo de 10% con una tensión de 14.5 MPa, una deformación como máximo de 11% con una tensión de 15.2 MPa; una deformación como máximo de 12.5% con una tensión de 15.8 MPa; una deformación como máximo de 14% con una tensión de 16.5 MPa; y una deformación como máximo de 17% con una tensión de 17.3 MPa. El área a la izquierda de la línea punteada define las combinaciones de tensión-deformación de acuerdo con la presente descripción.

Ejemplo 3 Se someten a prueba dos celdas para demostrar la mejora en el refuerzo de material granular y la mayor capacidad de soporte de carga. Estas celdas fueron una sola celda, no una geocelda completa. Como control se usó una celda correspondiente al Ejemplo Comparativo 1. Para la comparación se realizó una celda de una composición de acuerdo con el Ejemplo 2, texturizada, y tuvo un espesor de 1.5 mm .

Las paredes de cada celda fueron de 10 cm de altura, 33 cm entre costuras, en relieve, no perforadas y tenían un espesor de 1.5 mm. La celda fue abierta de tal forma que su "radio" largo era de aproximadamente 260 mm y su radio corto era de aproximadamente 185 mm. Una caja de arena de 800 mm de longitud y 800 mm de ancho se llenó hasta 20 mm de profundidad con arena. La distribución de gradación de arena se proporciona en la Tabla 4.

Tabla 4 Apertura del 0.25 0.5 0.75 1 2 4 tamiz (mm) % de Paso 10-20 35-55 50-70 60-80 80-90 90-100 Acumulado La celda se colocó sobre la superficie de esta arena y se rellenó con la misma arena. La celda expandida tuvo una forma aproximadamente elíptica, de aproximadamente 260 mm en el eje más largo y aproximadamente 180 mm en el eje corto. Luego se colocó más arena en la caja de arena para rodear la celda y enterrar la celda de tal forma que una capa superior de 25 mm cubriera la celda. Luego se compactó la arena hasta una densidad relativa de 70%.

Se colocó un pistón de 150 mm de diámetro sobre el centro de la celda y la carga se aumentó para proporcionar presión sobre la superficie de la arena en aumentos de 50 kPa (es decir, la presión se aumentó cada 1 minuto en 50 kPa). Se midió deflexión (penetración del pistón en la arena confinada) y presión (carga vertical dividida por el área del pistón).

Se usó el pistón en (1) arena solamente; (2) una celda del Ejemplo Comparativo 1; y (3) una celda del Ejemplo 2. Los resultados se presentan en la Tabla 5.

Tabla 5 Carga Vertical (kPa) 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Deflexión en arena solamente 1 2 3 >10 >15 >20 >20 >20 >20 >20 (mm) Deflexión con la celda del 0.7 1.3 2 2.5 3 4 5 >10 >15 >20 Ej. Comparativo 1 (mm) Deflexión con la celda 0.6 1 1.1 1.7 2 2.5 2.9 4 5 7 del Ejemplo 2 (mm) La celda del Ejemplo 2 continuó desempeñándose elásticamente en presiones mayores que 400 kPa, mientras que la celda del Ejemplo Comparativo 1 no lo hizo. Debido a la elasticidad de la pared de HDPE, se observó confinamiento deficiente en la celda del Ejemplo Comparativo 1. El límite de elasticidad para el Ejemplo Comparativo 1 fue e presión vertical de aproximadamente 250 kPa, y si se calcula la tensión circunferencial promedio (el diámetro promedio de la celda es de 225 mm) en esa presión vertical, se obtiene un valor de aproximadamente 13.5 MPa. Esta cantidad está muy de acuerdo con los valores del límite de elasticidad obtenidos mediante las mediciones de tracción tensión-deformación de acuerdo con el procedimiento Izhar. Los resultados mostraron que hubo una fuerte y significativa correlación entre la rigidez y la resistencia a la deformación (capacidad para soportar tensiones circunferenciales mayores que 14 MPa) y la capacidad de soportar una carga vertical grande. Se debe tener en cuenta que esta prueba solamente proporcionó una sola carga, mientras que en las aplicaciones prácticas, la carga que se va a soportar es cíclica. Como resultado, la resistencia a la deformación plástica es muy importante y no estuvo presente en la celda del Ejemplo Comparativo 1.

La Figura 7 es un gráfico que muestra los resultados en la Tabla 5. La diferencia en la resistencia a la penetración (es decir, qué tan bien la celda soportó la carga vertical) es muy clara .

Ejemplo 4 Se elaboró una tira polimérica de acuerdo con el ejemplo 2.

Como control, se proporcionó una tira de 1.5 mm de espesor de acuerdo con el Ejemplo Comparativo 1.

Luego se analizaron las dos tiras mediante Análisis Mecánico Dinámico (DMA) en una frecuencia de 1 Hz de acuerdo con la norma ASTM D4065. La tira de HDPE de control se sometió a prueba en un rango de temperatura de aproximadamente -150 °C hasta aproximadamente 91 °C. La tira de control se calentó a 5 °C /min y se midió la fuerza, el desplazamiento, el módulo de almacenamiento y la delta tan.

La tira polimérica del Ejemplo 2 fue sometida a prueba en un rango de temperatura de aproximadamente -65 °C hasta aproximadamente 120 °C. La tira de control se calentó a 5 °C /min y se midió la fuerza, el desplazamiento, el módulo de almacenamiento y la delta tan.

La Figura 8 es un gráfico del módulo de almacenamiento (elástico) y de Delta Tan contra la temperatura para la tira de HDPE de control.

La Figura 9 es un gráfico del módulo de almacenamiento (elástico ) y Delta Tan contra la temperatura para la tira polimérica del Ejemplo 2.

El módulo de almacenamiento del HDPE disminuyó más rápidamente que el módulo de almacenamiento del Ejemplo 2. El módulo de almacenamiento para la tira del Ejemplo 2 fue casi tres veces mayor que el módulo de almacenamiento para la tira de HDPE a 23 °C. Para obtener el mismo módulo de almacenamiento que el que tuvo la tira de HDPE a 23 °C, la tira del Ejemplo 2 tuvo que ser calentada hasta casi 60 °C, es decir, la tira del Ejemplo 2 mantuvo su módulo de almacenamiento mejor.

La Delta Tan para la tira de HDPE aumentó exponencialmente comenzando a alrededor de 75 °C, lo que indica una pérdida de elasticidad (es decir, el material se hizo demasiado plástico y no podía conservar suficiente rigidez y elasticidad), de tal forma que la tira era viscosa y plástica. Esto es indeseable, dado que las geoceldas se pueden calentar aún cuando están colocadas por debajo de la tierra (tal como en una carretera). La Delta Tan para la tira del Ejemplo 2 mantuvo sus propiedades a temperaturas tan altas como de 100 °C. Esta propiedad es deseable dado que proporciona un factor de seguridad adicional. Dado que el desempeño en temperaturas elevadas es una forma de predecir el desempeño a largo plazo en temperaturas moderadas (tal como se describe en ASTM 6992), el hecho de que el HDPE comience a perder su elasticidad y por lo tanto su potencial de soporte de carga en aproximadamente 75 °C en un plazo de segundos, proporciona alguna idea acerca de su baja resistencia a la deformación gradual y de su tendencia a deformarse plásticamente. A diferencia del HDPE, la composición de acuerdo con la presente descripción mantuvo su elasticidad (Delta Tan baja) en temperaturas muy altas, lo que sugiere que tiene el potencial de conservar sus propiedades durante muchos años y muchos ciclos de carga.

Ejemplo 5 Se sometieron a prueba tres tiras de acuerdo con el procedimiento SIM PRS para determinar su tensión de diseño a largo plazo (LTDS). Como control, se elaboró una tira de HDPE de acuerdo con el ejemplo comparativo 1. La primera tira de prueba fue una elaborada de acuerdo con el Ejemplo 2. La segunda tira de prueba fue una elaborada de acuerdo con el Ejemplo 2, luego orientada a 115 °C para aumentar su longitud original en 40%. Los resultados se presentan en la Tabla 6 que sigue. J Tabla 6 Como puede verse aquí, el Ejemplo 2 y el Ejemplo 2 orientado tuvieron ambos mayores LTDS en comparación con el Ejemplo Comparativo 1.

Si bien se han descrito modalidades particulares pueden surgir alternativas, modificaciones, variaciones, mejoras y equivalentes sustanciales que están o pueden estar previstos actualmente por los solicitantes u otros expertos en la técnica. En consecuencia, las reivindicaciones anexas presentadas y tal como puedan ser enmendadas pretenden comprender todas estas alternativas, modificaciones, variaciones, mejoras y equivalentes sustanciales.

Claims (27)

REIVINDICACIONES

1. Una geocelda formada de tiras poliméricas, al menos una tira polimérica que tiene un módulo de almacenamiento de 500 MPa o más cuando se mide en dirección de la máquina mediante Análisis Mecánico Dinámico (DMA) de acuerdo con la norma ASTM D4065 a 23 °C y con una frecuencia de 1 Hz.

2. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene un módulo de almacenamiento de 700 MPa o más.

3. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene un módulo de almacenamiento de 1000 MPa o más.

4. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene una tensión en una deformación de 12% de 14.5 MPa o más cuando se mide de acuerdo con el procedimiento Izhar a 23 °C.

5. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene una tensión en una deformación de 12% de 16 MPa o más cuando se mide de acuerdo con el procedimiento Izhar a 23 °C.

6. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene una tensión en una deformación de 12% de 18 MPa o más cuando se mide de acuerdo con el procedimiento Izhar a 23 °C.

7. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 1, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene un coeficiente de expansión térmica de 120 x 10-6 / °C o menos a 25 °C de acuerdo con la norma ASTM D696.

8. Un pavimento, carretera, vía férrea o área de estacionamiento, que incluye al menos una capa que comprende la geocelda de la reivindicación 1.

9. El pavimento, carretera, vía férrea o área de estacionamiento tal y como se describe en la reivindicación 8, caracterizado además porque la geocelda se rellena con un material granular seleccionado del grupo constituido por arena, grava, piedra picada, balasto, desechos de cantera, concreto triturado, asfalto reciclado, ladrillos triturados, desechos de edificaciones y escombros, vidrio molido, cenizas de plantas de energía, cenizas volantes, cenizas de carbón, escoria de altos hornos de hierro, escoria de fabricación de cemento, escoria de acero y mezclas de ellos.

10. Una geocelda formada de tiras poliméricas, al menos una tira polimérica tiene un módulo de almacenamiento de 150 MPa o más cuando se mide en dirección de la máquina mediante Análisis Mecánico Dinámico (DMA) de acuerdo con la norma ASTM D4065 a 63 °C y una frecuencia de 1 Hz.

11. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 10, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene un módulo de almacenamiento de 250 MPa o más.

12. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 10, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene un módulo de almacenamiento de 400 MPa o más.

13. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 10, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene una tensión en una deformación de 12% de 14.5 MPa o más cuando se mide de acuerdo con el procedimiento Izhar a 23 °C.

14. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 10, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene una tensión en una deformación de 12% de 16 MPa o más cuando se mide de acuerdo con el procedimiento Izhar a 23 °C.

15. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 10, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene una tensión en una deformación de 12% de 18 MPa o más cuando se mide de acuerdo con el procedimiento Izhar a 23 °C.

16. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 10, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene un coeficiente de expansión térmica de 120 x 10"6 / °C o menos a 25 °C de acuerdo con la norma ASTM D696.

17. Un pavimento, carretera, vía férrea o área de estacionamiento que incluye al menos una capa que comprende la geocelda de la reivindicación 10.

18. El pavimento, carretera, vía férrea o área de estacionamiento tal y como se describe en la reivindicación 17, caracterizado además porque la geocelda se llena con un material granular seleccionado del grupo constituido por arena, grava, piedra picada, balasto, desechos de cantera, concreto triturado, asfalto reciclado, ladrillos triturados, desechos de edificaciones y escombros, vidrio molido, cenizas de plantas de energía, cenizas volantes, cenizas de carbón, escoria de altos hornos de hierro, escoria de fabricación de cemento, escoria de acero y mezclas de ellos.

19. Una geocelda formada de tiras poliméricas, al menos una tira polimérica tiene una tensión de diseño a largo plazo de 2.6 MPa o más, cuando se mide de acuerdo con el procedimiento SIM PRS.

20. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 19, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene una tensión de diseño a largo plazo de 2 MPa o más, cuando se mide de acuerdo con el procedimiento SIM PRS.

21. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 19, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene una tensión de diseño a largo plazo de 4 MPa o más, cuando se mide de acuerdo con el procedimiento SIM PRS.

22. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 19, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene una tensión en una deformación de 12% de 14.5 MPa o más, cuando se mide de acuerdo con el procedimiento Izhar a 23 °C.

23. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 19, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene una tensión en una deformación de 12% de 16 MPa o más, cuando se mide de acuerdo con el procedimiento Izhar a 23 °C.

24. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 19, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene una tensión en una deformación de 12% de 18 MPa o más, cuando se mide de acuerdo con el procedimiento Izhar a 23 °C.

25. La geocelda tal y como se describe en la reivindicación 19, caracterizada además porque la al menos una tira polimérica tiene un coeficiente de expansión térmica de 120 x 10'6 / "C o menos a 25 °C de acuerdo con la norma ASTM D696.

26. Un pavimento, carretera, vía férrea o área de estacionamiento, que incluye al menos una capa que comprende la geocelda de la reivindicación 19.

27. El pavimento, carretera, vía férrea o área de estacionamiento tal y como se describe en la reivindicación 26, caracterizado además porque la geocelda está rellena con un material granular seleccionado del grupo constituido por arena, grava, piedra picada, balasto, desechos de cantera, concreto triturado, asfalto reciclado, ladrillos triturados, desechos de edificaciones y escombros, vidrio molido, cenizas de plantas de energía, cenizas volantes, cenizas de carbón, escoria de altos hornos de hierro, escoria de fabricación de cemento, escoria de acero y mezclas de ellos.