capitulo 1. características fundamentales del material

Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado 39

ALUMINIO

HIDROXILO

SILICIO

OXIGENOHOJA DE SILICIO

HOJA DE ALUMINA

Figura 1.1- Minerales de arcilla. Silicatos y aluminatos.

(c)- MONTMORILLONITA

H2O

H2O

K+

(a)- KAOLINITA (b)- ILLITA

K+Enlace H

Enlace H

Enlace H

Figura 1.2- Minerales arcillosos. a)- Kaolinita, b)- Illita, c)- Montmorillonita

40 Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado -

BEN

TON

ITA

IND

US

TRIA

A

LIM

EN

TAR

IAIN

GE

NIE

RÍA

CIV

IL

MIN

ER

ÍA

Y

ME

TALU

RG

IA

Mol

des

para

fund

ició

n

Est

abili

zaci

ón d

epe

rfora

cion

es

Sel

lado

de

pozo

s

Pel

etiz

ació

n de

al

imen

tos

Cla

rific

ació

n de

l vin

o

Est

abili

zaci

ón d

epr

oduc

tos

OTR

OS

Prep

arac

ión

de

med

icam

ento

s

Det

erge

ntes

Pint

uras

y lu

bric

ante

s

Sella

do d

eve

rtede

ros

Bar

rera

s de

in

geni

ería

Cem

enta

ción

de

fisur

as e

n ro

ca

Des

alin

izad

or d

e ag

ua

BEN

TON

ITA

IND

US

TRIA

A

LIM

EN

TAR

IAIN

GE

NIE

RÍA

CIV

IL

MIN

ER

ÍA

Y

ME

TALU

RG

IA

Mol

des

para

fund

ició

n

Est

abili

zaci

ón d

epe

rfora

cion

es

Sel

lado

de

pozo

s

Pel

etiz

ació

n de

al

imen

tos

Cla

rific

ació

n de

l vin

o

Est

abili

zaci

ón d

epr

oduc

tos

OTR

OS

Prep

arac

ión

de

med

icam

ento

s

Det

erge

ntes

Pint

uras

y lu

bric

ante

s

Sella

do d

eve

rtede

ros

Bar

rera

s de

in

geni

ería

Cem

enta

ción

de

fisur

as e

n ro

ca

Des

alin

izad

or d

e ag

ua

Figura 1.3- Usos de la bentonita.


I) POLVO DE BENTONITA FEBEX PRECALENTADA A 120ºC

(w=3-4%)

II) GRANULOS DE ALTA DENSIDAD

PRENSA DE RODILLOS

III) ROTURA, CLASIFICACIÓN PREPARACIÓN DE LAS MEZCLAS DE PELLETS

ρd=1.95 Mg/m3

e=0.38

Sro=0.28

s0 = 250-300 MPa

Fabricación de pellets de bentonita

I) POLVO DE BENTONITA FEBEX PRECALENTADA A 120ºC

(w=3-4%)

II) GRANULOS DE ALTA DENSIDAD

PRENSA DE RODILLOS

III) ROTURA, CLASIFICACIÓN PREPARACIÓN DE LAS MEZCLAS DE PELLETS

ρd=1.95 Mg/m3

e=0.38

Sro=0.28

s0 = 250-300 MPa

Fabricación de pellets de bentonita

Figura 1.4- Esquema del proceso de fabricación de los pellets de bentonita.


Figura 1.5- Almacenamiento de mezclas de pellets en bolsas herméticamente cerradas.

( )Hg v Hg

4D = -

P PnwCOSγ θ

−

D = Diámetro del poro

γ = Tensión superficial del mercurio (Hg)

θnw = Angulo de contacto de no-mojadoPHg

PvHg

θnw

DPvHg=Presión de vapor de mercurio

PHg=Presión de mercurio

( )Hg v Hg

4D = -

P PnwCOSγ θ

−

D = Diámetro del poro

γ = Tensión superficial del mercurio (Hg)

θnw = Angulo de contacto de no-mojadoPHg

PvHg

θnw

D

PHg

PvHg

θnw

DPvHg=Presión de vapor de mercurio

PHg=Presión de mercurio

Figura 1.6- Relación entre el diámetro de poro y la presión de mercurio.


(a)(b)

(c)

(a)(b)

(c)

Figura 1.7- Porosimetro de mercurio. a)-Porosimetro Micromeritics AutoPore 9500. b)- Penetrometro. c)- Detalle de muestra de bentonita preparada para ensayo.

(a) (b)(a) (b)

Figura 1.8- Puertos de presión. (a)-baja. (b)- alta.


Vol

umen

intru

ído

acum

ulad

o, m

l/gr

Diametro de poro, µm10 1 0.1 0.01

1.1

0.9

0.7

0.5

0.3

0.10

GENERADOR DE PRESIÓN

CAMARA DE PRESIÓN

FLUIDO DE PRESIÓN(ACEITE)

VO

L. IN

TRU

IDO

IntrusiónExtrusión

Aplicando : ( )Hg

4D= -

PnwCOSγ

−θ

v HgP

Figura 1.9- Resultados obtenidos en un ensayo de intrusión de mercurio. Curva de intrusión y extrusión.

Figura 1.10- Porosimetrías obtenidas en muestras de basalto triturado. (a) Muestra compactada estáticamente (b) Muestra compactada en forma dinámica (Adaptado de Mitchell, 1993).


3 µm

10 1000 100000Diámetro de poro inyectado, nm

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Den

sida

d de

dis

tribu

ción

, - d

e int/d

[log(

φ por

o)] Poros

intra-agregados

13 nm

10 1000 100000Diámetro de poro inyectado, nm

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Índi

ce d

e va

cíos

inye

ctad

o, e

int

etotal=0.38

eint=0.18

Volumen no inyectado

Poros enter-agregados PELLET

a)

b)

Figura 1.11- Resultados obtenidos en un ensayo de intrusión de mercurio sobre un pellet.


0.4-2 mm 0.15-0.4mm <0.15mm

> 15 mm 4-10 mm 2-4 mm

0.4-2 mm 0.15-0.4mm <0.15mm

> 15 mm 4-10 mm 2-4 mm

Figura 1.12- Pellets clasificados por tamaño.

Concepto Fuller

% 100máx

DPasante xD

=

Gráfica de granulometría

100 10 1 0.1 0.01Tamaño de pellet, (mm)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

FR

ACC

IÓN

PAS

ANTE

Dmax.= 10 mm

Dmax

10 mm

Concepto Fuller

% 100máx

DPasante xD

=

Gráfica de granulometría

100 10 1 0.1 0.01Tamaño de pellet, (mm)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

FR

ACC

IÓN

PAS

ANTE

Dmax.= 10 mm

Dmax

10 mm

Figura 1.13- Concepto de optimización de vacíos propuesto por Fuller. Curva de distribución granulométrica tipo Fuller, propuesta como punto de partida para el estudio de la curva óptima.


Contenido de agua a los 7 días, w7(%)

Equilibrio en 60 días, promedio w = 17.3%

10 1

Tamaño de grano, mm

0

5

10

15

20C

onte

nido

de

agua

, w (%

) ψ60 = 55 MPa

ψ0 = 350 MPa

ψ7 = 180 MPa

ψ7 = 280 MPa.

24 0.4 0.1515

w0(%)

w7(%)

w60(%)

Figura 1.14- Evolución del contenido de agua de las diferentes fracciones en equilibrio con el ambiente del laboratorio. Humedad relativa controlada en HR(%)=50-60.


Bloqueo del desplazamiento vertical

Tórica degoma

Conección de airecon HR controlada

MuestraDiámetro= 50 mmAltura= 50 mm

Inyección de aguaPiedra porosametálica


Tórica degoma

Conección de airecon HR controlada

MuestraDiámetro= 50 mmAltura= 50 mm

Inyección de aguaPiedra porosametálica

Figura 1.15- Célula de infiltración utilizada en los ensayos preliminares.

Edómetro de palanca

0.07 0.87 m

lever mechanism: 13.43x

FS = 1.5 kN

no-lin.+hist.: 0.07% FS

0.07 0.87 m


Célula de carga

deformación FS: < 0.06 mm


Bureta graduara(+/- 20 mm3)

Célula edómetrica.Ensayo de volumen constante

Control del Vcte.

Ajuste de tornillopara mantener Vcte

EDÓMETRO DE PALANCA ACONDICIONADO ENENSAYO DE VOLUMEN CONSTANTE

Edómetro de palanca

0.07 0.87 m


FS = 1.5 kN

no-lin.+hist.: 0.07% FS

0.07 0.87 m


Célula de carga

deformación FS: < 0.06 mm


Bureta graduara(+/- 20 mm3)

Célula edómetrica.Ensayo de volumen constante

Control del Vcte.

Ajuste de tornillopara mantener Vcte

EDÓMETRO DE PALANCA ACONDICIONADO ENENSAYO DE VOLUMEN CONSTANTE

Figura 1.16- Edómetro de palanca utilizado para realizar ensayos de infiltración preliminar.


0.1 1 10 100 1000Tiempo, (h)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Gra

do d

e sa

tura

ción

, (S

r) INF_1INF_2INF_3INF_4INF_5

1.3 1.4 1.5 1.6Densidad seca, (Mg/m3)

0.0

2.0

4.0

6.0

Pre

sión

de

hinc

ham

ient

o, (M

Pa)

INF_1INF_2INF_3INF_4INF_5

BETONITA FEBEX

Phinch_vert = e(5.9*ρd -7.9)

+25%

-25%

INF_3

INF_2

INF_2

INF_3

T=200 h

FEBEXFEBEX +25%

FEBEX -25%

(a)

(b)

Figura 1.17- Resultados obtenidos en ensayos preliminares. a)- Evolución del grado de saturación. b)- Presión de hinchamiento vertical


Ensayo de infiltración en célula de metacrilato

a)

c)

b)

Figura 1.18- Ensayo de infiltración en célula de metacrilato. a)- Vista general. b)- Material compactado. c)- Frente de hidratación luego de la inundación inicial.

max min max

min max

D D - D D(%)Pasante=100

1- D D

100 10 1 0.1Tamaño de pellet, (mm)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

FR

ACC

IÓN

PA

SAN

TE

Dmax.= 4 mmDmax.= 10 mmDmax.= 15 mm

Dmax

Dmin

4 mm10 mm15mm

Figura 1.19- Curvas granulométricas óptimas para tamaños máximos de pellets de 4, 10 y 15 mm.


ρd: Nat. 1.3 Mg/m3 1.7 Mg/m3ρd: Nat. 1.3 Mg/m3 1.7 Mg/m3ρd: Nat. 1.3 Mg/m3 1.7 Mg/m3ρd: Nat. 1.3 Mg/m3 1.7 Mg/m3

F/A=σV

Compactador

Diámetro= 50 mm

Altura= 20 mm

Compactación estática

Velocidad de deformación 0.2 mm/min

Figura 1.20- Proceso de compactación estática de muestras.


1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2Densidad seca, (Mg/m3)

1

10

100Te

nsió

n ve

rtica

l de

com

pact

ació

n, σ

v (M

Pa)

σv=0.00263exp(5.115ρd)

Datos experimentales

Figura 1.21- Tensión vertical de compactación en función de la densidad seca

0.1 1 10

Tensión vertical, (MPa)

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Indi

ce d

e va

cios

, e

e = -0.26 * ln(σv) + 1.24

Muestras ρd=1.3 Mg/m3

Muestras ρd=1.5 Mg/m3

Figura 1.22- Evolución del índice de vacíos con la tensión vertical durante el proceso de compactación de las muestras.


100 10 1 0.1Tamaño de pellet, (mm)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

(%)P

AS

AN

TE

Antes de la compactación

Dmax 10 mm

Después de la compactación

Figura 1.23- Granulometría inicial y granulometría modificada por efecto de la compactación a una densidad seca de 1.5 Mg/m3.

0 10 20 30 40Tensión vertical, σv (Kg/cm2)

0

4

8

12

16

20

Tens

ión

horiz

onta

l,σh (

Kg/

cm2 )

σhor./σver= K0=0.54

Figura 1.24- Evolución de K0 a lo largo del proceso de compactación.


3 µm

10 1000 100000

Diámetro de poro inyectado, nm

0.01

0.1

1

10

Den

sida

d de

dis

tribu

ción

, - d

e int/d

[log(

φ por

o)]

Poros intra-agregados

13 nm

10 1000 100000


0

0.4

0.8

1.2Ín

dice

de

vací

os in

yect

ado,

ein

t

etotal=1.25 a 1.30

eint=1.024Volumen no intruído

Porosentre-agregados

Pellet

250 µm

Porosentre-pellets

Agregado

a)

b)

Figura 1.25- Ensayo de intrusión de mercurio sobre una muestra de pellets sin compactación.


10 1000 100000


0

0.1

0.2

0.3

0.4

Den

sida

d de

dis

tribu

ción

, - d

e int/d

[log(

φ por

o)]

1.35 Mg/m3

1.45 Mg/m3

1.70 Mg/m3

13 nm

21 µm5 µm40 µm

3 µm

1.95 Mg/m3

10 1000 100000


0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Índi

ce d

e va

cíos

inye

ctad

o, e

int

rotura"crushing"

reordenamiento

eint= 0.565

eint= 0.502

eint= 0.394

eint= 0.180

a)

b)

Figura 1.26- Ensayos de intrusión de mercurio sobre muestras de pellets compactadas a distintos valores de densidad seca.


FEBEX (1.55 Mg/m3 )PELLETS (1.45 Mg/m3)

13 nm21 µm

15 µm

10 100 1000 10000 100000 1000000


0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6G

rado

de

satu

raci

ón in

yect

ado,

Sr in

t= e

int/e

Tot

10 100 1000 10000 100000 1000000


0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Den

sida

d de

dis

tribu

ción

,

-dS

r int/d

[log(

φ por

o)]

Figura 1.27- Comparación de resultados obtenidos en ensayos de intrusión de mercurio realizados sobre una muestra de pellets y una muestra fabricada con bentonita FEBEX.


20 µm

3 µm

x 1500

20 µm

3 µm

x 1500

Figura 1.28- Observación de la estructura interna de una muestra de pellets con densidad ρd=1.50 Mg/m3 utilizando un microscopio de electrones (ESEM), 700 y 1500 aumentos.


[Vol

. de

vaci

os] / [

gr. m

ater

ial]


[Vol

. de

vaci

os] / [

gr. m

ater

ial]

φ1φ2

V(φ1)=V(φ2)

V1(φ1)

V2(φ1)

ETAPA 1

ETAPA 2

Reordenamiento y "crushing"

Coalescencia de poros

Figura 1.29- Mecanismos de compactación. a)- Efecto del mecanismo de reordenamiento y “crushing” o rotura de pellets en la curva de distribución de poros. b)- Mecanismo de coalescencia de poros.


Iteración 1 Iteración 2 Iteración 3 Iteración 4 Figura 1.30- Triángulos de Sierpinsky. Algoritmo de generación del conjunto fractal.

1 10 100 1000Tamaño de poro característico,(µm)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Por

osid

ad e

ntre

pel

lets

, nM

AC

RO

Anderson & McBratneynMacro =1-[k*φ (D-3)]/2.7k = 2.67 D = 2.87

ρd =1.95 Mg/m3

ρd =1.7 Mg/m3

1.45 Mg/m3

1.35 Mg/m3

1.15 Mg/m3

Figura 1.31- Dimensión fractal del espacio poroso entre pellets obtenido a partir de Anderson & McBear (1995).

capitulo 1. características fundamentales del material

Documents