La incógnita sobre el impacto ambiental producido por el uso de subproductos industriales tales como, áridos reciclados o cenizas de biomasa aplicados en obra, es confirmar si al ser reutilizados en una nueva infraestructura de ingeniería, no causarían impacto negativo en el medio, o si por el contrario, la afección que sobre ellos causan los agentes externos, en concreto el agua de lluvia, pueden dar lugar a fenómenos de lixiviación y percolación de elementos tóxicos presentes en dichos subproductos, lo cual podría causar la contaminación de aguas superficiales y subterráneas (Van der Sloot y col, 2003)
Así pues, cuando el material sólido entra en contacto con un líquido, algunos de sus constituyentes pueden disolverse en mayor o menor extensión, siendo el grado de disolución el que condiciona la composición del extracto. Se define la lixiviación como la extracción de los componentes solubilizados en el agua u otro disolvente. Y son los ensayos de lixiviación los más indicados, son las herramientas idóneas para reproducir en laboratorio los procesos físico-químicos que tienen lugar bajo las condiciones de exposición que el material reutilizado tendrá en campo u obra (Vázquez E., 2009). Así pues, no es la cantidad total de un elemento el factor crítico, sino su capacidad para ser liberado al medio, lo cual se conoce como “potencial lixiviable” o “disponibilidad”.
Figura 1.12: Representación grafica entre Lixiviación vs Concentración total (Van der Sloot y Kosson (2003))
El fenómeno de lixiviación está afectado por una serie de factores físicos: tamaño de la partícula expuesto, tiempo, condiciones de flujo lixiviante, temperatura, porosidad, forma geométrica y tamaño de los materiales, permeabilidad de la matriz, condiciones hidrogeológicas, etc. Además afectaría una serie de factores químicos: pH del material, equilibrio o control cinético de la liberación, formación de complejos inorgánicos u orgánicos, condiciones redox del material, etc.
Es además necesario tener en cuenta que el comportamiento es distinto según el tipo de material y/o el tipo de infraestructura de la cual formará parte. En términos de comportamiento de liberación se deben distinguir dos tipos: materiales monolíticos (materiales base cemento, hormigón, ladrillos, materiales recubiertos, etc.) y materiales granulares (áridos, cenizas, escorias, etc.). La principal diferencia entre ambos radica en que en los materiales monolíticos la lixiviación está normalmente controlada por difusión, mientras que en los materiales granulares, la
liberación está dominada por mecanismos de percolación (Van der Sloot y col., 2003). La liberación de elementos potencialmente contaminantes al lixiviado, se ve afectado por diferentes factores físicos, químicos y ambientales, que a su vez depende de qué tipo de uso o aplicación tendrá el material en cuestión, lo cual se representa esquemáticamente a continuación.
Figura 1.13: Tipo de material y factores externos (químicos y físicos) que influyen en la liberación de contaminantes en materiales monolíticos (hormigón, bloques,
Figura 1.14: Tipo de material y factores externos (químicos y físicos) que influyen en la liberación de contaminantes en materiales de material granular (arena, grava,
ceniza, escoria de acero, etc.), tal y como se aplica formando parte de la infraestructura de una carretera.
Por tanto, se pueden distinguir los siguientes tipos de ensayos de lixiviación: i. Test de conformidad: consiste en un test de lixiviación básico y rápido de
una o dos etapas en el cual el material se encuentra en estado granular (p.e. UNE EN 12.457-3). El material se pone en contacto con agua y se somete a agitación mecánica, realizándolo para dos relaciones de liquido/sólido (2 y 10 L/kg) y expresando la liberación en (mg/kg de materia seca).
ii. Test de Columna o de percolación: consiste en un test de lixiviación también para materiales granulares con la diferencia que en este caso el ensayo tiene capacidad de analizar el comportamiento a largo plazo (con 7 relaciones liquido/sólido (L/S):0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, y 10 L/kg). Este ensayo simula en laboratorio el mecanismo de percolación que dicta la liberación de elementos químicos (expresados en mg/l) en cualquier material
granular puesto en obra, ya que depositando el material en el interior de columnas se hace circular un flujo de agua a través de la misma, simulando la circulación del agua de lluvia a través por ejemplo, de una subbase de carretera (p.e. NEN 7343:1994).
iii. Test de Tanque o de difusión: consiste en un test de lixiviación para materiales monolíticos (utilizado en la presente Tesis para evaluar los residuos estabilizados con cemento). También evalúa el comportamiento a largo plazo (tomando muestras a 8 edades distintas: 6 h y 1, 2.25, 4, 9, 19, 36 y 64 días). Consiste en reproducir en el laboratorio el mecanismo de liberación que rige la liberación en materiales sólidos: la difusión superficial de especies químicas expresado en mg/m2 (NEN 7345: 1994).
Por lo tanto, un completo estudio del proceso de lixiviación y de liberación de contaminantes, permite utilizar los resultados como indicadores de sostenibilidad, necesarios para dejar patente la idoneidad de poder reutilizar subproductos industriales en ingeniería civil y es por este motivo que la presente Tesis Doctoral ha incluido los ensayos de lixiviación de apoyo en las investigaciones realizadas, siendo sus resultados determinantes en la decisión de utilización o no de dichos materiales.
Como ya se ha indicado, existen muchos factores que influyen en la lixiviación, y que deben ser considerados al elegir el tipo de test, ya que al omitir estos factores, se corre el riesgo de obtener resultados no extrapolables a situaciones reales. Los factores químicos, las condiciones de equilibrio o cinéticas, la solubilidad, el pH del agua o el impuesto por las condiciones que rodean al material, las condiciones redox, los procesos de adsorción y los cambios originados por la materia orgánica, pueden crear situaciones diversas y cambiantes, que dificultarán aun más la elección del test de lixiviación y la interpretación de sus resultados, así como el extrapolar los resultados de laboratorio a la situación real en obra. Por todo ello, es esencial definir el escenario de lixiviación.
Engelsen y col., 2012 estudió que una vez puesto el material en obra, los factores externos a los que está sometido el material, nos va a introducir más variables que afectan a este fenómeno. Así, la cantidad de agua a la que el producto está expuesto en un intervalo de tiempo determinado, caudal de agua y que se produzcan o no circuitos preferenciales en los materiales granulares, está
condicionando la lixiviación de elementos tóxicos, y todo ello dependerá además del tipo de escenario, es decir, del tipo de infraestructura civil en cuestión, no siendo igual la respuesta del material formando parte de la subbase de una carretera asfaltada en la cual la capa de rodadura actúa de aislante a inclemencias meteorológicas, que una carretera sin asfaltar, camino de tierra o caminos rurales (Galvin AP y col, 2014) .
Según Hendriks y Raad, 2002, el método de lixiviación viene dado por una serie de factores que modifican el medio lixiviante. Al pasar los resultados del laboratorio a las condiciones prácticas, se debe tener en cuenta todos estos factores que hemos ido citando, de lo contrario, sería muy difícil extrapolar los datos experimentales a campo (Van der Sloot y Kosson, 2012). Así pues, Los "malos usos" de ensayos normalizados de lixiviación, son el resultado de su diseño para un ámbito más reducido: el laboratorio (simple y fácil de reproducir sistemáticamente). El aumento de la complejidad de los factores que juegan un papel en la evaluación de comportamiento a largo plazo de los materiales (lo cual ocurre cuando el material se pone en campo) ha conducido al desarrollo y estandarización de ensayos que reproduzcan de la forma más exacta posible lo que ocurre en la práctica.
Hay que tener en cuenta que las pruebas de lixiviación se llevan a cabo para una amplia variedad de materiales ya que son necesarias para diferentes fines: regulación, gestión de residuos, evaluación de impacto ambiental o fines científicos. Debido a la creciente preocupación por el impacto que la actuación humana pueda tener en el medio ambiente, las pruebas de lixiviación están cada vez más implantadas en el sistema de gestión de cualquier residuo y subproducto. Y es necesario destacar que hace años que investigadores comprobaron cómo hay ciertas similitudes en el comportamiento frente a lixiviación de los materiales, a pesar de tener diferentes naturaleza o composición (Van der Sloot y col, 1996).
Este autor comprobó que una sola prueba será insuficiente para cubrir toda la gama de propiedades ambientales de un material. Como hemos indicado, la lixiviación de contaminantes está controlado por un número limitado de parámetros (por ejemplo, pH, potencial redox, complejación, etc) pero que en función de un material u otro, un parámetro podrá ser más o menos condicionante en el proceso de liberación, existiendo un patrón similar. Todo ello por tanto, facilita la evaluación de materiales secundarios o subproductos.
Por tanto, el procedimiento de evaluación ambiental de cualquier subproducto que va a ser utilizado en el ámbito de la construcción sostenible, se puede resumir en el siguiente ciclo de 5 fases:
Figura 1.15: Characterization and compliance leaching tests in different stages of the building cycle supply (Fuente: Wascon 2003. An Overview of Leaching Assessment
for Waste Disposal and Materials Use. Hans A. van der Sloot, Hans Meeussen, David S. Kosson, Florence Sanche)