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TÉCNICA PARA LA MEDIDA DEL TAMAÑODE PARTÍCULAS DE LOS SUELOS DE SELLADODE VERTEDEROS Y ESCOMBRERAS MEDIANTEUN EQUIPO MASTERSIZER-S DE LASER ROJO

Pastor, J. y Villoslada, M.aJ.

CCMA. CS/C./RN. Dpto. de Ecología de Sistemas. Madrid.

Introducción

Un estudio profundo del tamaño de las partículas edáficas es importante para determinar aspectos relacionados con la estabilidad de agregados de los suelos de cubriciónde vertederos y escombreras. Aunqu e las técnicas de tamizado y sedimentación han sidousadas, y lo siguen siendo ampliamente para su caracterizac ión, las técnicas modernasutilizando un equipo láser, ofrece n muchas ventajas, desde exig ir volúmenes bajos desuelos y la rapidez del análisis, al elevadísimo n." de medidas efec tuadas en un breve intervalo de tiempo y a la reproducibilidad de los resultados.

En este trabajo describiremos la nueva técnica que permit e medir en volumen el tamaño de las partículas del suelo y su aplicació n al estudio de los suelos de cubrición devertederos y escombreras.

Descripción del aparato

El aparato Mastersizer-S (figura 1) de banco largo utiliza una metodología de difracción y dispersión de luz láser. Este fenómeno se produce cuando un haz de luz atraviesa una suspensión de partículas e incide con ellas, produciendo un patrón de dispersión susceptible de ser analizado cuantit ativamente. Permite así estimar los tamaños departículas que han originado dicho patrón .

Los modelos teóricos en los que se basa son los definidos por Fraunhofer y Mie considerándose que el primero de ellos se ajusta más a modelos teóricos de confirmación departículas esféricas y el segundo, a partículas alargadas. No obstante, el software del aparato perm ite defin ir «factores de forma ».

121

PASTOR, J. y VILLOSLADA, M.a J. 1< - -

Figura 1. Equipo Mastersi:er-S de Láser rojo

Este análisis se realiza por vías seca y húmeda. Para los análisis por vía seca se pue-den utilizar muestras menores de 3,2 mm, y por vía húmeda sólo se admiten muestras ta-mizadas por 2 mm. El rango de medida es de 0,05 a 3500 H-rn y dispone de una cubeta otanque de dispersión que permite realizar este proceso mediante un agitador rotatorio yun equipo de ultrasonidos, con control de intensidades y tiempo, añadiéndose a la cubetade dispersión, cuando el investigador lo requiere, 10 cm3de una solución de hexameta-fosfato y carbonato sódico en las proporciones estándar, dejándola actuar durante unos5 minutos antes de realizar la medida. Con anterioridad se procede a la determinacióndel tiempo necesario para obtener una completa dispersión de la muestra.

Los resultados obtenidos no son de tipo conteo, sino acumulativos respecto a cadauno de los rangos determinados por el conjunto de sensores de los que dispone el apa-rato. Esta técnica tiene gran aceptación debido a su alta reproductividad, rapidez de me-dida y versatilidad.

La vía húmeda es siempre preferible cuando se trata de muestras de tamaño muy pe-queño (de 1 u o menos), o cuando el medio acuoso (que se acompaña a veces, como yadijimos, de un dispersante) y además como en nuestro caso, de la aplicación de ultra-sonidos, que es un proceso necesario para romper los agregados. Es pues la técnica máspertinente para estudiar la granulometría de suelos.

La vía seca es adecuada cuando no se necesita, o no interesa, una acción dispersan-te adicional. La muestra, tamizada previamente por el tamiz de 2 o 3 mm, se mide du-rante su caída libre, y por ello lee tanto tamaños de partículas individuales dispersas,como posibles microagregados (< 76 uní) y macroagregados existentes (2000-194 pm).El aparato dispone de ordenador con programa informático que saca todas las medidasefectuadas.

122

TÉCNICA PARA LA MEDIDA DEL TAMAÑO DE PARTÍCULAS DE LOS SUELOS DE SELLADO DE VERTEDEROS...

Preparación de las muestras

Hemos recogido muestras de la capa superficial del suelo del vertedero sellado y delas escombreras de Getafe, siendo preparadas de la manera convencional de secado y ta-mizado. A continuación, la fracción < 2 mm de cada muestra fue extendida sobre un pa-pel de filtro y se toman al azar una serie de alícuotas de la misma Dichas alícuotas sereunieron en dos grupos, constituyendo dos submuestras de suelo. De cada una de ellasse toman las dos submuestras en donde se realizan las medidas.

Las submuestras obtenidas son introducidas sucesivamente en la cubeta del equipoen un medio acuoso, donde son agitadas al 80%, bombeadas al 60% y también son so-metidas a ultrasonidos (con el fin de obtener la disgregación de los agregados) al 40%.Este proceso se realiza durante 5 minutos. Finalizada esta etapa previa, las medidas sehan realizado en las consideradas «condiciones estándar». Es decir con la bomba fun-cionando al 80%, la agitación al 40%, sin ultrasonidos y con una obscuración alrededorde un 20.

En el estudio del tamaño de las partículas edáficas que vamos a aplicar, las muestras(submuestras) de los suelos se llevó a cabo en medio acuoso, con una lente de 300 mm(0,05 a 900 mieras). Pero el aparato también puede leerlas por vía seca, mediante caídalibre.

Cada medida consta de 5.000 lecturas del láser efectuada sobre las submuestras delos suelos. El realizar 4 medidas de cada submuestra tiene como consecuencia el que seobtienen en total 8 medidas por cada suelo; es decir un total de 40.000 lecturas sobrecada uno de los suelos estudiados. La Figura 2 muestra un ejemplo, en el que se recogela media de ese elevadísimo número de lecturas efectuadas en cada uno de los suelos.

Aplicación del protocolo analítico al vertedero clausurado de Getafe y susescombreras de residuos adosadas.

Presentamos en las figuras 2 a 7 los resultados obtenidos para las muestras realizadaspor medio acuoso, expresadas en % del volumen, y leídas únicamente por una sola de lasdos lentes que posee el equipo (la que lee las fracciones más finas).

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Figura 3. Ejemplo comparativo en forma de histagrama de 8 muestras de suelos tomadasal azar en distintos taludes del Vertedero de Getafe.

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TÉCNICA PARA LA MEDIDA DEL TAMAÑO DE PARTÍCULAS DE LOS SUELOS DE SELLADO DE VERTEDEROS.

1.O10.0Partida Diameter

100.01000.0

Figura 5. Ejemplo comparativo, en forma de histograma, de 8 suelos,tomados al azar en la 1." Escombrera de Geíafe.

127

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Figura 7. Ejemplo comparativo, en forma de histograma, de 8 suelos tomados al azaren la 2." Escombrera de Getafe.

Resultados del análisis de las fracciones granulométricas

A continuación se exponen los resultados de los análisis efectuados con el láser enlos distintos suelos de cubrición de los antiguos vertederos y escombreras de Getafe (Ta-blas 1, 2 y 3), reagrupando las 64 fracciones obtenidas con la técnica Láser, en 8 gruposrelacionados con los utilizados en los estudios granulométricos tradicionales (Bouyou-cos, 1935), y mas concretamente con las fracciones consideradas y obtenidas por el la-borioso «Método de la Pipeta», si bien por este último método los porcentajes se ex-presan en peso, mientras que en con la técnica Láser se expresan en volumen.

129

PASTOR, J. y VILLOSLADA, M.a J.

Tabla 1. Suelos analizados en el antiguo vertedero sellado de Getafe, con los datos obtenidosmediante el Equipo Láser, y reagrupados en las fracciones granulométricas (%) estimadas

habitualmente en los estudios clásicos de detalle, sobre la granulometría de los suelos.

Arcilla

<0,002

0,160,350,071,371,270,011,390,121,440,460,380,320,420,150,160,180,21,850,530,530,60,08

Media 0,55d. típica 0,54

Limo

0,002-0,02

1,732,3

2,654,737,461,2

4,013,435,342,111,691,561,722,541,771,871,4

8,841,341,342,91,69

2,892,05

Arenaf ina (A)

0,02-0,05

3,314,432,533,164,332,393,922,853,773,923,043,013,351,761,793,912,964,451,941,945,173,55

3,250,95

Arenafina (B)

0,05-0,1

9,6611,895,546,98,666,459,796,058,9512,469,339,2710,543,824,7611,359,79,285,755,7514,7111,06

8,712,78

Arenafina (C)

0,1-0,2

15,8717,658,9812,3913,879,6713,618,8713,5219,0115,7615,7316,366,98,8

16,7414,1916,7911,211,2

22,9521,28

14,154,19

Arenamedia

0,2-0,5

14,3815,5812,2121,8613,768,0913,5411,2513,9316,617,9417,5120,2910,5916,1915,9913,2417,1416,7916,7919,7118,13

15,523,31

Arenagruesa

0,5-1

13,2813,0214,9615,2812,048,8312,4414,8311,8314,9530,6226,7726,6116,3224,0312,9114,858,5

34,8834,8817,2415,76

17,957,94

Arenamuy gruesa

1-3,2

41,6134,7753,0734,3138,6263,3641,352,5841,2230,4921,2325,8320,757,9242,5137,0443,4633,1427,5627,5616,7228,44

36,9712,22

Tabla 2. Suelos analizados en la 1.a escombrera adosada al vertedero sellado de Getafe,(escombrera más antigua), con los datos obtenidos mediante el Equipo Láser y reagrupados

en las fracciones granulométricas (%) estimadas habitualmente en los estudios clásicosde detalle sobre la granulometría de suelos.

Escombrera 1 Arcilla

<0,002

0,470,490,630,110,080,610,030,030,580,49

Media 0,35d. típica 0,26

Limo

0,002-0,02

3,064,12,481,241,772,371,841,042,182,65

2,270,89

ArenaFina (A)

0,02-0,05

6,299,114,251,523,434,563,81,813,434,85

4,312,19

Arenafina (B)

0,05-0,1

19,5623,2412,613,769,4812,7710,455,3910,2513,3

12,085,86

Arenafina (C)

0,1-0,2

29,0326,5426,876,4216,6819,4515,839,5516,7818,16

18,537,35

Arenamedia

0,2-0,5

21,7518,9127,139,2811,8816,1912,488,9613,3113,1

15,305,78

Arenagruesa

0,5-1

12,357,1

13,8417,798,7715,8213,0712,414,1412,96

12,823,09

Arenamuy gruesa

1-3,2

7,5110,5

12,1959,8747,9128,2342,560,8239,3234,51

34,3419,56

130


Tabla 3. Suelos analizados en la 2.a escombrera de Getafe, con los datos obtenidos medianteel Equipo Láser y reagrupados en las fracciones granulométricas estimadas habitualmente

en los estudios clásicos de detalle sobre la granulometría de suelos.

Escombrera! Arcilla

<0,002

0,030,360,370,610,060,020,010,290,170,260,15

Limo

0,002-0,02

1,63,083,866,61,771,91,6

1,922,52,362,25

ArenaFina (A)

0,02-0,05

3,855,176,8313,74

4,413,424,075,474,184,97

Arenafina (B)

0,05-0,1

12,0514,5215,7430,3412,0313,259,9112,4115,2112,6

14,19

Arenafina (C)

0,1-0,2

18,6124,4914,3623,2616,5615,7416,6317,5619,8120,4721,9

Arenamedia

0,2-0,5

17,0216,3513,9411,1814,0913,5

15,8615,318,716,3918,88

Arenagruesa

0,5-1

12,469,9816,553,7112,0413,2610,2913,1814,5314,459,36

Arenamuy gruesa

1-3,2

34,3826,0528,3510,6

39,4637,9142,2835,2623,6129,2928,3

Media0,212,685,4614,7519,0415,5611,8030,50d. típica0,191,472,895,433,252,303,448,86

Los resultados estadísticos obtenidos comparando los valores granulométricos delvertedero y las dos escombreras de residuos adosadas (Tabla 4), permiten observarcuales son los tipos de tamaño de partículas que acusan mayores diferencias entre lossuelos de cubrición, según las distintas unidades paisajísticas. Se ha utilizado el test noparamétrico de Kruskall Wallis, para detectar diferencias entre los diferentes suelos decubrición. Dicho test pone de manifiesto claramente que las diferencias existentes entrelos suelos de las tres unidades paisajísticas, residen esencialmente en las tres fraccionesconsideradas dentro de la denominada «arena fina» (Intervalos de tamaños: A, B y C),así como en la arena gruesa.

Tabla 4. Análisis estadístico (Test de Kruskall Wallis) para detectar diferencias significativasentre los suelos del antiguo vertedero y los de las dos escombreras contiguas de Getafe.

UnidadPaisajística

Arcilla

<0,002

Limo

0,002-0,02

ArenaFina (A)

0,02-0,05

Arenafina (B)

0,05-0,1

Arenafina (C)

0,1-0,2

Arenamedia

0,2-0,5

Arenagruesa

0,5-1

Arenamuy gruesa

1-3,2

Vertedero Media Q¿5 2,89 3,25 8,71 14,15 15,52 17,95 36,97d.típica 0,54 2,05 0,95 2,78 4,19 3,31 7,94 12,22

Escombrera 1 Media 0^35 2,27 4,31 12,08 18,53 15,30 12,82 34,34

d.típica 0,26 0,89 2,19 5,86 7,35 5,78 3,09 19,56

Escombrera 2 Media Oj21 2,68 5,46 14,75 19,04 15,56 11,80 30,50d.típica 0,19 1,47 2,89 5,43 3,25 2,30 3,44 8,86

Kruskall Wallis H 0,151 0,903 0,004 0,000 0,009 0,681 0,038 0,486

131

PASTOR, J. YVILLOSLADA, M.' J.

Discusión respecto a la técnica empleada para los análisisgranulométricos en taludes de vertederos

Es un hecho que la distribución del tamaño efectivo (no dispersado) de los materiales edáficos, juega un importante papel en relación al transporte por el agua o por elviento, y su conocimiento nos puede dar luz sobre los procesos erosivos sufridos en lostaludes de los vertederos. La rapidez de obtención de gran cantidad de medidas utilizando la técnica del láser es sin duda la gran ventaja que presenta en relación a las técnicas tradicionales. Con la misma se vienen haciendo estudios en suelos y sedimentos,desde la época de los trabajos pioneros como los de Valentin et al. (199 1), Ycada día vansiendo más frecuentes (Slattery y Buró,1997; Beuselinck el al. , 1999: Westerho f el al.,1999). En nuestro laboratorio de Difracción de Laser del Departamento de Ecología deSistemas del IRN del CCMA, del que somos responsables, se han realizado ya dos TesisDoctorales utilizando este equipo, tanto para poder aplicar técni cas multi fractales adistribuciones de tamaño-volumen de partículas de suelos mediterráneos (Montero,2002), como a la evaluación de la eros ión en una cuenca de territorio tropical (Alexi s,2008). Por todo ello consideramos pertinente el seguirla utilizando para los grandes taludes de vertederos y escombreras de residuo s industriales selladas con suelos.

Agradecimientos: al Proyecto CTM2008-04827{fECNO (MCI) y al ProgramaEIADES

Referencias bibliográficas

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Bouvoucos G. (1935). Journal Ámerican Society ofAgronomy. American Society Testing Material ASTM n.O152 H.

MONTERO, M. E. (2002). Aplicación de técnicas de análisis multifractal a distribuciones de tamaño-volumen de partículas de suelo obtenidas mediante aná lisis por difracción de láser. Tesis Doctoral. Escuela Superior de Ingenieros Agrónomos. Universidad Politécnica de Madrid.

SLATIERY, M. C. y BURT, T. P. (1997). «Particle size characteristics of suspended sediment in hillslope runoff and stream flow». Earth Surface Processes and Landforms , 22: 705-719.

VALENTIN, Ch.; HOODMOED, W., y ANDRIESSE,W. (1991). «Maintenance and enchancement of lowfertility soils». lmernational Workshop on Evaluation fo r Sustainable Land Management in theDevelopping Wold. Chiang Rai, Tha iland, 15-2 I sept.: 159-187.

WESTERHOF, R.; BUURMAN, P.; GRIETHUYESE .c. VILELA, L. , y RECH, W. (1999) . «Aggregationstudied by laser diffraction in relation to plowing and liming in the Cerrado region in Brazil»,Geoderma, 90: 277-290.

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Estudio multidisciplinarde vertederos selladosCaracterización y pautasde recuperación

Editoras:Ana Jesús HernándezCarmen Bartolomé

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tÉcnica para la medida del tamaÑo de partÍculas de...

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