estudio del comportamiento de una arena …

ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ARENA CONTAMINADA CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD

Ing. LUISA ELVIRA MARTÍNEZ ACOSTA

Tesis para optar al título de

Magíster en Ingeniería Civil

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGERNIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

MAGÍSTER EN INGENIERÍA CIVIL

BOGOTÁ D.C., DICIEMBRE 2003

TESIS DE MAGÍSTER EN INGENIERIA CIVIL

ÁREA DE AMBIENTAL

ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ARENA CONTAMINADA CON

METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD

Ing. LUISA ELVIRA MARTÍNEZ ACOSTA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

MAGÍSTER EN INGENIERÍA CIVIL

BOGOTÁ D.C., DICIEMBRE 2003

Bogotá D.C., Enero de 2004

Señor Ingeniero Mauricio Sánchez Director del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Universidad de los Andes La Ciudad Apreciado Ingeniero:

Por medio de la presente tengo el agrado de poner en su consideración el

trabajo “ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ARENA

CONTAMINADA CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE

HUMEDAD”, con el cual culmino mis estudios de Maestría en Ingeniería Civil,

en el Área de Ambiental.

Este proyecto fue asesorado por los Ingenieros Juan Pablo Ramos y Bernardo

Caicedo.

Agradeciendo la atención a la presente, me suscribo atentamente,

Ing. Luisa Elvira Martínez Acosta

ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA

C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12

1

TABLA DE CONTENIDO

LISTA DE TABLAS Y GRÁFICOS...................................................................... 3

INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 4

1. OBJETIVOS ................................................................................................. 6

1.1 OBJETIVO GENERAL............................................................................ 6

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................. 6

2. JUSTIFICACIÓN .......................................................................................... 7

3. ANTECEDENTES ........................................................................................ 8

4. MARCO TEORICO..................................................................................... 10

4.1 METALES PESADOS ............................................................................. 11

4.1.1 Oligoelementos.................................................................................. 11

4.1.2 Metales pesados sin función biológica conocida ............................... 11

4.2 LA GEOELECTRICIDAD.................................................................... 12

4.2.1 La resistividad.................................................................................... 13

4.3 SENSOR ............................................................................................ 14

4.3.1 CIRCUITO INTEGRADO 555 ............................................................ 14

5. EXPERIMENTACIÓN................................................................................. 17

5.1 CARACTERISTICAS DEL SUELO....................................................... 17

5.1.1 GRAVEDAD ESPECIFICA ................................................................ 17

5.1.2 ENSAYO DE COMPACTACION (PROCTOR ESTANDAR).............. 18

5.2 PREPARACIÓN DE LAS CONCENTRACIONES DE COBRE............ 20

5.3 EXPERIMENTACION CON EL SENSOR ............................................. 21



2

6. CONCLUSIONES....................................................................................... 37

7. RECOMENDACIONES .............................................................................. 40

8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ........................................................... 42



3

LISTA DE TABLAS Y GRÁFICOS

Gráfico 1: Relación general entre la resistividad r y la litología*....................... 13

Tabla 1: Especificaciones del 555 .................................................................. 15

Grafica 2: Diagrama interno del integrado........................................................ 16

Tabla 2: Determinación de las densidades secas ........................................... 19

Gráfica 3: Determinación de la densidad seca y humedad óptima.................. 19

Gráfica 4: Frecuencia Vs Humedad Volumétrica con variación en el contenido

de cobre ..................................................................................................... 33

Gráfica 5: Resistividad del suelo Vs Humedad Volumétrica con la variación del

contenido de cobre..................................................................................... 34

Gráfica 6: Frecuencia Vs Concentración de cobre variando la Humedad

Volumétrica ................................................................................................ 35


Volumétrica ................................................................................................ 35



4

INTRODUCCIÓN

El hombre en su continuo desarrollo y en sus actividades diarias genera una

gran cantidad de desechos líquidos y sólidos que necesitan ser manejados y

tratados de forma adecuada. Una práctica común para el manejo de los

residuos sólidos es disponerlos en los rellenos sanitarios. Como resultado de

esta disposición se generan los lixiviados, los cuales son una fuente potencial

importante en la contaminación de los suelos.

Las investigaciones de suelos contaminados por la actividad humana existen

desde los años 80. Desde entonces se han llevado a cabo estudios para

observar el comportamiento de suelos contaminados, dentro de los cuales se

tienen el estudio de la conductividad hidráulica de los fluidos dentro del suelo,

los cambios del ángulo de fricción en los suelos contaminados, modelos

matemáticos para simular el comportamiento de los fluidos dentro del suelo, la

migración de metales pesados en suelos, entre otros.

En el suelo hay presentes elementos minoritarios en concentraciones bajas, y

al percolarse el lixiviado presente en un relleno, éstas concentraciones de

contaminante aumentan. Los metales pesados son los más difíciles de

degradar y generan de gran contaminación. (5)

Actualmente, la contaminación de los suelos por metales pesados se ha

incrementado como consecuencia de las actividades humanas, entre las que



5

se encuentran la industria, la agricultura, los servicios y los desechos sólidos

municipales.

Por medio de este estudio se pretende construir las bases para entender la

relación arena-metal pesado, y poder así predecir la concentración de

elementos contaminantes en dicha arena.

Esta investigación pretende estudiar la variabilidad en la frecuencia de un suelo

al aplicarle diferentes concentraciones de contaminante. En este caso se

pretende utilizar un metal pesado, el cual se encuentra en la composición del

lixiviado presente en el relleno Doña Juana de la ciudad de Bogotá.



6

1. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVO GENERAL

Estudiar el comportamiento de suelos contaminados con metales pesados,

utilizando sensores de humedad para medir cambios en la frecuencia y

resistividad del suelo como resultado de la contaminación.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

- Identificar las variaciones en la frecuencia del suelo (arena), dependiendo

de la concentración de contaminante.

- Observar si la frecuencia del suelo cambia por la cantidad de contaminante

acumulado dentro de los poros del suelo.

- Determinar la posibilidad de utilización del sensor para estimar la cantidad

de contaminante presente en un suelo.

- Analizar los cambios que se puedan dar dependiendo del grado de

saturación de la muestra en estudio.



7

2. JUSTIFICACIÓN

Los metales pesados en suelos han sido objeto de estudio debido a los

impactos negativos que se derivan sobre el hombre y el medio ambiente como

resultado de la exposición a este tipo de contaminantes.

Los metales pesados producen una disminución en la productividad de los

suelos y contaminación en las aguas subterráneas o superficiales cercanas al

sitio contaminado. Éste es el caso que puede ocurrir en un relleno sanitario si

la impermeabilización falla y los metales pesados presentes en el lixiviado

pasan a las aguas subterráneas y suelos, alterando la composición natural de

éstos.

Por tal motivo se pretende estudiar el comportamiento de una arena

contaminada variando las concentraciones de contaminante (metal pesado)

mediante el uso de un sensor de humedad, con el objeto de determinar

concentraciones de contaminante en campo mediante el uso de un sensor de

humedad desarrollado para tal fin.



8

3. ANTECEDENTES

Se han realizado pocos estudios que contemplen la utilización de un sensor

para establecer el comportamiento de la contaminación en un suelo.

En la investigación “Environmental geomechanics and transports processes”

(Culligan-Hensleyl, Savvidou, 1999), se contempló la construcción de

biosensores capaces de medir la resistividad en función de las concentración

del contaminante y humedad del suelo. En este estudio los sensores se

construyeron como un apoyo para la modelación en centrífuga de la infiltración

de un contaminante (constituido por agua y sal), en una arena.

Sin embargo, este estudio no contempla la concentración del contaminante,

siempre se usó la misma concentración en todo el estudio.

En Colombia, específicamente en Bogotá, se realizaron estudios buscando

predecir la cantidad de metales pesados que pueden ser movilizados bajo

diferentes circunstancias químicas y que pueden entrar en la cadena

alimenticia o lixiviarse hacia aguas subterráneas. Esta investigación incluye

estudios de la determinación de las concentraciones en suelos por medio de

muestras tomadas aleatoriamente (González, 1997). Sin embargo, no se

establece el uso de algún mecanismo que permita determinar el grado de

contaminación in situ del suelo.



9



10

4. MARCO TEORICO

Los lixiviados, se pueden definir como líquidos que al percolarse por las capas

permeables de desechos sólidos van disolviendo total o parcialmente sus

componentes. Los lixiviados pueden presentar un movimiento horizontal, o sea

que se desplazarán a lo largo del terreno, contaminando así el suelo y

deteriorando la vegetación de zonas aledañas. También puede ocurrir un

movimiento vertical, que penetre el subsuelo y alcance los mantos freáticos y

acuíferos, lo que causa problemas de contaminación del agua subterránea

(Espinosa, González, 2001).

Los cambios incluidos por los lixiviados en las aguas subterráneas se deben a

su pH (9), la introducción de una gran cantidad de sales y ácidos grasos (lo que

se refleja en una alta conductividad), la disminución de oxígeno disuelto y el

alto contenido de metales pesados, como el cadmio, cromo, cobre, hierro,

plomo y zinc.

La generación de lixiviados ocurre principalmente por el agua lluvia infiltrada en

el terreno mientras se está disponiendo la basura. También se produce por la

compactación de la basura húmeda y por la descomposición biológica de las

basuras (Espinosa, González, et al. 2001)



11

En estudios realizados por la Universidad de los Andes en rellenos sanitarios

en Colombia se han encontrado metales pesados, tales como Manganeso,

Mercurio, Cromo, Cobre, Zinc, Níquel, entre otros.

4.1 METALES PESADOS

Se define como metal pesado aquel elemento con una densidad igual o mayor

a 5 g/cm3 cuando se encuentra en forma elemental, o con un número atómico

superior a 20 (se excluyen los metales alcalinos y alcalino-térreos)

Hay dos grupos de metales pesados: oligoelementos y metales pesados sin

función biológica conocida (García, Dononrroso, 2001)

4.1.1 Oligoelementos

Son los micronutrientes necesarios en pequeñas cantidades, o cantidades

trazas para completar el ciclo vital de plantas y animales. Si exceden cierto

umbral son tóxicos. En este grupo se encuentran el Arsénico (As), el Boro (B),

el Cobalto (Co), el Cromo (Cr), el Cobre (Cu), el Molibdeno (Mo), el Manganeso

(Mn), el Níquel (Ni), el Selenio (Se) y Zinc el (Zn) (García, Dononrroso et al.

2001)

4.1.2 Metales pesados sin función biológica conocida

Su presencia en determinadas cantidades en los seres vivos están asociados

a disfunciones en el organismo. Son altamente tóxicos y se bioacumulan en

los seres vivos. Dentro de este grupo se tienen el Cadmio (Cd), el Mercurio



12

(Hg), el Plomo (Pb), el Cobre (Cu), el Níquel (Ni), el Antimonio (Sb) y el

Bismuto (Bi), (García, Dononrroso et al. 2001)

La presencia de los metales pesados en suelos debería ser únicamente

función de la composición del material original y de los procesos que se dan en

el suelo. Sin embargo, la actividad humana incrementa el contenido de estos

metales en cantidades considerables, siendo esta, sin duda, la causa más

frecuente de altas concentraciones tóxicas. Esto sucede debido a la

contaminación de origen antropogénico, resultante de vertidos industriales, de

actividades mineras, de la aplicación de plaguicidas o también del tráfico

vehicular.

La disposición de los residuos domésticos, industriales y hospitalarios en los

rellenos sanitarios son una fuente importante de contaminación por metales

pesados.

4.2 LA GEOELECTRICIDAD

La investigación geofísica es utilizada en la ingeniería civil para determinar la

conformación y características de suelos y rocas por medio de la aplicación de

conceptos eléctricos.



13

4.2.1 La resistividad

En ocasiones también llamada resistencia específica, puede definirse como la

propiedad de los cuerpos a oponerse al avance de la corriente eléctrica. La

unidad de medida es el ohmio por metro.

Los materiales geológicos tienen resistividades que varían entre 10-2 y 105

ohm. En el gráfico 1 se puede observar la variación mencionada anteriormente,

donde podemos encontrar la menor resistividad en menas sulfúricas y la

máxima en arenas y gravas (Sarriá, 1996).

Gráfico 1: Relación general entre la resistividad r y la litología*

Fuente: Sarria, 1996

La resistividad del agua depende del grado de saturación, de la salinidad, de la

movilidad electroquímica, y en nuestro caso también dependerá de la



14

capacidad conductiva que posea el metal pesado adicionado al suelo (Cobre).

La cantidad de agua presente en un suelo depende de la porosidad del mismo

y puede suponerse que su resistividad depende del grado de saturación.

4.3 SENSOR

El sensor seleccionado inicialmente para llevar a cabo las lecturas fue un

sensor de humedad marca cekit con los siguientes componentes: un circuito

integrado 555, una resistencia de 1000 Ω, una resistencia de 6800 Ω, un

condensador de 10 µF/16V, un condensador cerámico de 0.01 µF/50V y una

resistencia de 220 Ω. Posteriormente se le realizaron los siguientes cambios

para un mejor desempeño: se cambió la resistencia de 6800 Ω por una de 1000

Ω, el condensador de 10 µF/16V por un condensador de 104 ηF/16V.

Los sensores de humedad permiten medir la humedad relativa dentro de una

gama aproximada del 10% al 90%. El principio del sensor se basa en la

capacidad que tiene el mismo de absorber la humedad que hay en su

alrededor.

4.3.1 CIRCUITO INTEGRADO 555

El circuito integrado 555 es uno de los mas populares y versátiles. Éste incluye

23 transistores, 2 organizadores y 16 resistores en un chip de silicona,



15

instalados en 8 pines en un mini paquete de dos líneas. El circuito integrado

555 posee dos principales modos de operación:

Modo monoestable: en este modo el 555 funciona con aplicaciones que

incluyen temporizadores, detectores de pulso, interruptores automáticos,

interruptores de voz, entre otros.

Modo estable: el 555 puede operar como un oscilador. Incluye un led y una

lampara de flash, generador de pulso, cierres lógicos, generadores de tonos,

alarmas de seguridad, entre otros.

Tabla 1: Especificaciones del 555

ESPECIFICACIONES

Suministro de voltaje (Vcc) 4.5 a 15 V

Suministro de corriente (Vcc = + 5V) 3 a 6 mA

Suministro de corriente (Vcc = + 15V) 10 a 15 mA

Corte de corriente (máx.) 200 mA

Disipación de energía 600 mw

Temperatura de operación 0 a 70 grados C



16

Grafica 2: Diagrama interno del integrado



17

5. EXPERIMENTACIÓN

5.1 CARACTERISTICAS DEL SUELO

El suelo utilizado para la elaboración de la presente investigación es una arena

tomada de una cantera de la Ciudad de Bogotá. La muestra fue secada al aire

libre para llevar a cabo los ensayos y realizar pruebas con el sensor de

humedad. A la arena se le determinó la Gravedad Específica y el Ensayo de

Compactación (Proctor estándar)

Los ensayos se realizaron como se detalla a continuación:

5.1.1 GRAVEDAD ESPECIFICA

El ensayo de gravedad específica se realizó para poder determinar la cantidad

de suelo que se debía adicionar al momento de realizar los ensayos de

laboratorio, y así evitar que variaran las condiciones del mismo.

El procedimiento llevado a cabo fue:

- Se pesaron 30,04 g de arena seca.

- Se pesó el picnómetro seco.

- Se agregó la arena en el picnómetro y se adicionó agua.

- Se dejó saturando el suelo por 12 horas aproximadamente.



18

- Se calentó el picnómetro con el agua y la arena al baño de maría hasta que

saliera todo el aire del agua y del suelo.

- Se pesó el picnómetro a 20°C, aforado a 100 ml. De una tabla se obtiene

el peso a 20°C del picnómetro mas agua.

- Se calculó la gravedad específica.

El valor resultante de la gravedad específica fue 2,6887

5.1.2 ENSAYO DE COMPACTACION (PROCTOR ESTANDAR)

Este ensayo se realizó para que el grado de compactación de la muestra

durante la realización de las pruebas cambiara lo menos posible, ya que un

cambio muy grande proporcionaría errores en las lecturas tomadas por el

sensor.

- Se tomó una muestra inicial para determinar el contenido de humedad

antes de llevar a cabo el ensayo.

- Se tomaron 10 Kg de arena secada al aire y se mezcló con la cantidad de

agua necesaria para hacer el incremento de humedad basado en el peso

seco. Se comienza con una humedad gravimétrica del 2% y se fue

incrementando en 2% hasta el 18%.

- Se pesó el molde de compactación.

- Se compactó el cilindro del suelo con 25 golpes por capa.

- Se pesó el molde lleno de suelo húmedo.

- Se tomaron dos muestras para determinar el contenido de humedad.



19

- Se repitió el procedimiento hasta que se obtuvieron dos valores de peso de

material compactado ligeramente menor que un determinado valor pico.

- Al día siguiente se pesaron las muestras de contenido de humedad

secadas al horno.

- Se determinaron las densidades secas, usando la fórmula de Arango, 1997:

1001 wHum

Seco +=

γγ

Tabla 2: Determinación de las densidades secas

Con la tabla 2, se construyó una gráfica de donde se obtuvo la humedad

óptima y la densidad máxima seca.

Gráfica 3: Determinación de la densidad seca y humedad óptima

Contenido de humedad deseado 2 4 6 8 10 12 14 16Contenido de humedad 2,36 4,18 5,95 8,14 9,97 12,75 14,1 16,12Peso suelo + molde 5428 5493 5530 5562 5605 5660 5700 5710Peso molde 3981 3981 3981 3981 3981 3981 3981 3981Peso suelo seco en molde 1447 1512 1549 1581 1624 1679 1719 1729Densidad húmeda (g/cm3) 1,551 1,621 1,660 1,695 1,741 1,800 1,842 1,853Densidad seca (g/cm3) 1,515 1,556 1,567 1,567 1,583 1,596 1,615 1,596

Determinación de la Densidad seca

Humedad Vs Densidad seca

1,50

1,521,541,56

1,58

1,601,62

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Humedad (%)

Den

sida

d se

ca (g

/cm

3)



20

De la gráfica 3 se obtiene una densidad seca máxima de 1,615 y una humedad

óptima del 14%.

5.2 PREPARACIÓN DE LAS CONCENTRACIONES DE COBRE

Las soluciones de cobre se prepararon con base en los resultados obtenidos

de analizar la composición de los lixiviados en algunos rellenos sanitarios de

Colombia (datos históricos del laboratorio de Ingeniería Ambiental de la

Universidad de los Andes).

Las soluciones con las que se trabajaron fueron preparadas a partir de un

patrón de 1000 ppm de sulfato de cobre. Con este patrón se realizaron

soluciones de 0.1ppm, 0.3ppm, 0.5ppm y 1.0ppm. Para hacer estas soluciones

se debieron preparar patrones intermedios de 10ppm y 100ppm.

Para determinar el volumen necesario para llevar a cabo la preparación de las

soluciones, se utilizó la siguiente ecuación:

CVCV 2211=

donde, V1 = Volumen inicial

C1 = Concentración inicial

V2 = Volumen final

C2 = Concentración final

Con el volumen final como incógnita y las demás variables conocidas, se

determina la cantidad de patrón a adicionar.



21

El proceso realizado para la preparación de las soluciones es el siguiente:

- Con una pipeta volumétrica se tomó el volumen requerido del patrón y se

vertió en un balón volumétrico de 500 ml

- Se aforó el balón volumétrico con agua desionizada

5.3 EXPERIMENTACION CON EL SENSOR

Para llevar a cabo la experimentación se tuvo en cuenta el grado de

compactación que debían tener las muestras. Este aspecto es importante por

la influencia que tiene la compactación en las lecturas que arroja el sensor.

Usando los valores de densidad seca y volumen del molde se determinó el

peso en gramos de arena con la que se debe trabajar. El volumen del molde

se determinó midiendo sus dimensiones, las cuales fueron,

h = 14 cm

f = 8 cm

Con estas dimensiones se obtiene un volumen del molde de 703,3 cm3. Sin

embargo, éste no es el volumen útil del molde, se le debe restar el volumen

ocupado por el sensor de humedad, el cual tiene las siguientes dimensiones:

h = 7 cm

f = 2,5 cm

Restando el volumen del sensor (34,4 cm3), se tiene un volumen útil de 669

cm3 aproximadamente. Con este volumen se establece la cantidad de arena

que se debe pesar para llevar a cabo las pruebas con las diferentes



22

concentraciones de contaminante y diferentes grados de humedad. También

se varió la humedad volumétrica del suelo.

El equipo para la realización de esta prueba consistió en:

- Un molde de polipropileno en forma cilíndrica que en la parte inferior tiene

una base en acero removible.

- Cinco anillos de acero colocados dependiendo de la capa de arena que se

esté adicionando, es decir, si se agrega la primera capa de arena, se

coloca un anillo, y así sucesivamente hasta la quinta capa.

- Un pistón en acero que es utilizado para la compactación de la muestra. La

muestra se compacta haciendo fuerza con una versa tester sobre el pistón.

El procedimiento seguido para la toma de lecturas de la frecuencia se describe

a continuación:

- Se pesó la cantidad de arena que se debía utlilizar en el experimento de tal

forma que siempre se utilice la misma cantidad y no vaya a haber

alteraciones en la densidad del material.

- Se adicionó la cantidad de agua (ó metal pesado) necesaria para obtener la

humedad volumétrica que se estaba trabajando. Se mezcló el material

(arena) con el agua hasta obtener una homogenización de ambos para

evitar errores en la lectura por líquido atrapado en ciertas partes del

material.

- Se dividió el peso del suelo en cinco partes iguales para ir agregándolo al

molde por capas. Para cada capa se hizo una compactación con la



23

máquina versa tester. Para la compactación se adicionó la primera parte al

molde, de las cinco en las que se dividió el suelo, luego se colocó un anillo

y se compactó, y así sucesivamente. Después de colocada y compactada

la segunda capa, se coloca el sensor sobre la segunda capa y se sigue el

procedimiento con las tres capas restantes. Esto se hace con el objeto de

evitar cambios en la compactación del material y de simular las condiciones

bajo las cuales se hace la compactación en terreno, es decir, por capas.

- Finalizado el anterior paso, el sensor se conectó a una fuente de poder y a

un osciloscopio, con éste último se realizó la lectura de la frecuencia del

suelo.

- Se repitió el procedimiento con el mismo suelo adicionándole agua hasta

obtener la saturación. Las humedades estudiadas fueron 5%, 10%, 20%

30% y 40%. Con el 40% se obtiene la saturación de la arena.

A la muestra inicialmente se le adicionó agua desionizada, y posteriormente se

hizo la prueba con las soluciones de cobre preparadas para tal fin.

A continuación se presentan los datos de los resultados obtenidos para cada

caso, en donde se detalla además de la frecuencia obtenida, la resistividad del

suelo y las gráficas donde se observa el comportamiento de las lecturas de

frecuencia tomadas:



24

Tesis: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ARENA CONTAMINADAUSANDO UN SENSOR DE HUMEDAD

Arena pasa tamiz No 160,1 ppm de Cobre

Densidad humeda del suelo 1,887Densidad seca del suelo 1,67

Humedad Frecuencia (Hertz) Resistividad del suelo

5,00 485,00 984010,00 595,00 774420,00 819,00 521630,00 1230,00 297240,00 2110,00 1107

Descirpción del sueloConcentración

Con R1 = 1 K, R2 = 1 K C = 104 nanofaradios

Resisttividad del suelo contra Humedad Volumétrica

0

10

20

30

40

50

1000 3000 5000 7000 9000

Resistividad del Suelo (Ohmios)

Hum

edad

Vol

umét

rica

Frecuencia contra Humedad Volumétrica

0

10

20

30

40

50

480 980 1480 1980

Frecuencia (Hertz)

Hum

edad

Vol

umét

rica



25





5,00 480,00 995810,00 590,00 782215,00 780,00 555120,00 885,00 471525,00 1480,00 221630,00 1760,00 162540,00 2345,00 845



Resistividad del suelo contra Humedad Volumétrica

0

10

20

30

40

50

800 1800 2800 3800 4800 5800 6800 7800 8800 9800


Hum

edad

Vol

umét

rica


0

10

20

30

40

50

480 980 1480 1980 2480

Frecuencia (Hertz)

Hum

edad

Vol

umét

rica



26





5,00 423,00 11502,3610,00 581,00 7966,4415,00 695,00 6413,6720,00 905,00 4577,3530,00 1877,00 1430,2140,00 2518,00 684,27




0

10

20

30

40

50

600 2600 4600 6600 8600 10600


Hum

edad

Vol

umét

rica


0

10

20

30

40

50

400 650 900 1150 1400 1650 1900

Frecuencia (Hertz)

Hum

edad

Vol

umét

rica



27



Densidad humeda 1,886Densidad seca del 1,67

Humedad Frecuencia (Hertz) Resistiv idad del suelo

5,00 384,00 1282310,00 625,00 730015,00 704,00 631320,00 961,00 422325,00 1540,00 207130,00 1950,00 132140,00 2740,00 507

Descirpción del sueConcentración



0

10

20

30

40

50

500 2500 4500 6500 8500 10500 12500


Hum

edad

Vol

umét

rica


0

10

20

30

40

50

380 630 880 1130 1380 1630 1880 2130 2380 2630

Frecuencia (Hertz)

Hum

edad

vol

umét

rica



28


Arena pasa tamiz No 165% de Humedad


Contenido de Cobre (ppm) Frecuencia (Hertz) Resistividad del suelo

0,10 485,00 98400,30 480,00 99580,50 423,00 115021,00 384,00 12822,9



Resistividad del suelo contra Concentración de Cobre

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

9000 9500 10000 10500 11000 11500 12000 12500 13000



29





0,10 595,00 77440,30 590,00 78220,50 581,00 79661,00 625,00 7300,0




0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

7000 7250 7500 7750 8000


Con

cent

raci

ón d

e C

obre

Frecuencia contra Concentración de Cobre

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

580 630

Frecuencia (Hertz)

Con

cent

raci

ón d

e C

obre



30





0,10 819,00 52160,30 885,00 47150,50 905,00 45771,00 961,00 4223,2




0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

4000 4250 4500 4750 5000


Con

cent

raci

ón d

e C

obre


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

800 825 850 875 900 925 950

Frecuencia (Hertz)

Con

cent

raci

ón d

e C

obre



31





0,10 1230,00 29720,30 1780,00 15900,50 1877,00 14301,00 1950,00 1320,5




0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1200 1450 1700 1950 2200 2450 2700 2950


Con

cent

raci

ón d

e C

obre


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1200 1400 1600 1800 2000

Frecuencia (Hertz)

Con

cent

raci

ón d

e C

obre



32





0,10 2110,00 11070,30 2345,00 8450,50 2518,00 6841,00 2740,00 507,3




0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

500 600 700 800 900 1000 1100 1200


Con

cent

raci

ón d

e C

obre


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

2000 2250 2500 2750 3000

Frecuencia (Hertz)

Con

cent

raci

ón d

e C

obre



33

Los resultados obtenidos con el sensor permiten concluir que la frecuencia

aumenta en la medida que aumenta la humedad volumétrica. Para realizar un

análisis de los resultados obtenidos se realizó una comparación de los datos,

colocando todas las gráficas anteriores en las gráficas 4, 5, 6 y 7.

Gráfica 4: Frecuencia Vs Humedad Volumétrica con variación en el contenido

de cobre

En la gráfica 4 se observa el aumento de la frecuencia en la medida que

aumenta la concentración de cobre. Esto se debe a la facilidad de reacción

que tiene el sensor frente a los metales. Además, se observa que a mayor

concentración de líquido en los poros del suelo (mayor porcentaje de humedad

volumétrica), hay un aumento en las lecturas de frecuencia del sensor.

Frecuencia Vs Humedad Volumétrica variando la Concentración de Cobre

0

5

10

15

20

25

30

35

40

350 850 1350 1850 2350 2850

Frecuencia (Hertz)

Hum

edad

Vol

umét

rica

0,1 ppm

0,3 ppm

0,5 ppm

1 ppm



34

Gráfica 5: Resistividad del suelo Vs Humedad Volumétrica con la variación del

contenido de cobre

Como se dijo anteriormente, la resistividad de un suelo depende del grado de

saturación del suelo. En nuestro caso, se observa el aumento de la resistividad

con la disminución de la humedad volumétrica (Ver gráfico 5). También se

observa que el comportamiento del material (arena) se estima entre 500

ohmnios y 8000 ohmnios (ver gráfico 1). Sin embargo, por la presencia del

cobre el rango de la resistividad del suelo aumenta para las concentraciones de

cobre estudiadas, observándose que la resisitividad del suelo varía entre 500 y

12500 ohmnios.

Resistividad del Suelo Vs Humedad Volumétricavariando la Concentración de Cobre

0

5

10

15

20

25

30

35

40

500 2500 4500 6500 8500 10500 12500

Resistividad del suelo(Ohmios)

Hum

edad

Vol

umét

rica

0,1 ppm0,3 ppm0,5 ppm1 ppm



35


Volumétrica


Volumétrica

Frecuencia Vs Concentración de Cobrevariando la Humedad Volumétrica

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

350 850 1350 1850 2350 2850

Frecuencia (Hertz)

Con

cent

raci

ón d

e C

obre

5%

10%

20%

30%

40%

Resistividad del Suelos Vs Concentración de Cobrevariando la Humedad Volumétrica

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

400 2400 4400 6400 8400 10400 12400

Resistividad del suelo(Ohmios)

Cpn

cent

raci

ón d

e C

obre 5%

10%20%30%40%



36

En la gráfica 6 se observa el aumento de la frecuencia en la medida que

aumenta la concentración de cobre. Esto se debe a la facilidad de reacción

que tiene el sensor frente a los metales. Además, se observa que a mayor

concentración de líquido en los poros del suelo (mayor porcentaje de humedad

volumétrica), hay un aumento en las lecturas de frecuencia del sensor.

En la gráfica 7 se muestra el comportamiento de la resistividad en el suelo

cuando se varían la humedad volumétrica y la concentración de cobre. En esta

figura se ve claramente que los rangos de resistividad del suelo son mejores

para las humedades volumétricas superiores. Además, el rango de resistividad

en cada una de las humedades no sobrepasa los 1000 a 1500 ohmnios.



37

6. CONCLUSIONES

- El manejo y montaje del sensor es sencillo. Sólo se debe tener en cuenta

el sellamiento del sensor, debido a que este sello se daña con facilidad en

la presencia de grandes cantidades de agua. Es decir, cuando se trabaja

con humedades volumétricas altas, cercanas al grado de saturación del

suelo.

- Dependiendo del metal pesado que se vaya a estudiar, se debe realizar

una calibración del sensor para obtener los cambios que se necesiten

realizar (cambiar las resistencias y condensadores para poder obtener

mejores resultados y disminuir los errores que se puedan presentar).

- En las gráficas comparativas se observa que la frecuencia aumenta en la

medida que aumentan las concentraciones de cobre y la resistividad del

suelo disminuye cuando éstas ultimas aumentan.

- La frecuencia es una variable que se mantiene con valores cercanos bajo

diferentes concentraciones de cobre cuando la humedad volumétrica es

menor al 20%. Esto muestra el poco servicio que puede ofrecer el sensor a

humedades inferiores al 28%.

- Se obtienen mejores resultados de frecuencia y resistividad del suelo

cuando el grado de saturación aumenta, especialmente cuando la humedad

volumétrica supera el 28%.



38

- De la anterior conclusión se deduce que la confiabilidad de los resultados

es mayor cuanto mayor sea el grado de saturación.

- Es importante mantener el grado de compactación del suelo de acuerdo a

la humedad volumétrica con que se esté trabajando, pues las variaciones

en el grado de compactación hacen aumentar o disminuir las lecturas de

frecuencia proporcionalmente al mismo.

- Se puede concluir que los sensores de humedad podrían ser de útil ayuda

para la determinación de concentraciones de un metal pesado que

contamine un suelo, debido a los cambios en la resistividad que sufre el

suelo, siempre que se trabajen humedades superiores al 28%.

- El sensor de humedad construido en este experimento se puede utilizar en

otros suelos, siempre que la concentración de contaminante que tenga el

mismo no sean muy altas, debido a que para concentraciones muy altas de

contaminante se tendrían que hacer modificaciones al sensor en

condensadores y resistencias.

- Para llevar a cabo esta práctica en campo se tendría que estimar el grado

de compactación del terreno, utilizando un ensayo de densidad en terreno,

y realizar calibraciones con el sensor en el laboratorio utilizando la misma



39

densidad encontrada en campo. También se debe encontrar un método

para realizar el posicionamiento del sensor.

- Cuando se intentó tomar energía de una batería para operar el sensor, se

presentaban errores en la lectura. Por tal motivo se hace necesario el uso

de la energía eléctrica, lo cual dificultaría llevar a cabo este procedimiento

en campo.



40

7. RECOMENDACIONES

- Realizar ensayos que caractericen el suelo antes de llevar a cabo un

proceso experimental como el del presente trabajo

- Es posible llevar a cabo experimentos como éste, pero con otros tipos de

suelo o diferentes metales pesados que permitan desarrollar ábacos para

determinar las cantidades de contaminantes presentes en los suelos con el

uso de sensores de humedad. Sin embargo, es importante tener en cuenta

que se debe trabajar con humedades volumétricas superiores al 28%.

- Se deben realizar ensayos para verificar el comportamiento del sensor

cuando se infiltra un contaminante en un suelo, es decir, estudiar el tiempo

que puede demorar un contaminante en llegar a una profundidad

determinada con el uso del sensor.

- Para la realización de ensayos en campo se debe plantear la posibilidad de

utilizar un sensor que pueda trabajar sin necesidad de energía eléctrica, ya

que en campo puede ocurrir que no exista disponibilidad de la misma.

- Se deben realizar ensayos con la centrífuga que permitan estudiar la

infiltración de contaminante en función del tiempo en años, para poder

desarrollar un modelo que permita predecir la filtración del mismo al simular

un rompimiento en la membrana de protección de un relleno.



42

8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

ARANGO, Antonio. Manual de laboratorio de mecánica de suelos. 1997.

ANTONIADIS and MCKINLEY. Leaching test in a laboratory centrifuge on zinc

migration London clay.

CULLIGAN-HENSLEY and SAVVIDOU. Environmental geomechanics and

transport processes. 1999.

ESPINOSA SILVA, Augusto, GONZALEZ GARCIA, Álvaro. “La acumulación de

basuras como material geotécnico”, Artículo de la revista No 14 de la

Universidad de los Andes, Noviembre de 2001, Bogotá, Colombia.

GARCIA, Inés, DONONRROSO, Carlos. Contaminación por metales pesados.

2001.

GONZALEZ, Luz. “Estudio de la contaminación de suelos en la sábana de

Bogotá por metales pesados”. Tesis Uniandes. 1997.

SARRIÁ MOLINA, Alberto. “Métodos geofísicos con aplicaciones a la

ingeniería civil”. Ediciones Uniandes. Mayo 1996. 371p.

estudio del comportamiento de una arena …

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