estudio experimental del flujo de agua en rellenos de neumáticos troceados fuera de uso

TÍTULO DEL PROYECTO

Tesina Final de CarreraPuertos

TÍTULO DEL PROYECTO

ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL FLUJO DE AGUA EN RELLENOS DE NEUMÁTICOS TROCEADOS FUERA

DE USO

Autor: FRANCISCO MUDOY VILLALOBOS

Tutor: ENRIQUE ROMERO MORALESANTONIO LLORET MORANCHO

TÍTULO DEL PROYECTO:

I. Caminos Canales y

TÍTULO DEL PROYECTO:

ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL FLUJO DE AGUA EN RELLENOS DE NEUMÁTICOS TROCEADOS FUERA

DE USO

Autor: FRANCISCO MUDOY VILLALOBOS

Tutor: ENRIQUE ROMERO MORALESANTONIO LLORET MORANCHO

JULIO 2008

1. Antecedentes - El neumático

Caucho (látex Hevea Brasilensisrelleno (negro de carbono,

Brasilensis) + Material decarbono, acero…) + Aditivos


Producción anual en España de 250000-300000 tn/año

Aproximadamente una acumulación de unos 400 millones de neumáticos usados en la última década

Convirtiéndose así en Neumático Fuera de Uso (NFU), en uno de los residuos que más Convirtiéndose así en Neumático Fuera de Uso (NFU), en uno de los residuos que más caracterizan las sociedades modernas tan dependientes del automóvil

Emisiones de gases que contienen partículas nocivas para el entorno

Problemas debido a su elevada capacidad calorifica

Problemas incendios

No degradables

Arrecifes roedores, insectos…; La reproducción de ciertos mosquitos que transmiten

¿QUÉ HACEMOS?¿QUEMARLOS?

¿ALMACENARLOS?

por picadura fiebres y encefalitis llega a ser 4000 veces mayor en el agua estancada

de un neumático que en la naturaleza (Waste Ideal 2007)

300000 tn/año

Aproximadamente una acumulación de unos 400 millones de neumáticos usados en la

Convirtiéndose así en Neumático Fuera de Uso (NFU), en uno de los residuos que más Convirtiéndose así en Neumático Fuera de Uso (NFU), en uno de los residuos que más caracterizan las sociedades modernas tan dependientes del automóvil

Emisiones de gases que contienen partículas nocivas para el entorno

Problemas debido a su elevada capacidad calorifica

La reproducción de ciertos mosquitos que transmiten

¿ALMACENARLOS?

por picadura fiebres y encefalitis llega a ser 4000 veces mayor en el agua estancada

(Waste Ideal 2007)


UNICA SOLUCIÓN VIABLE Y SOSTENIBLE

RECICLAJE Y TRATAMIENTO DE LOS NFU

UNICA SOLUCIÓN VIABLE Y SOSTENIBLE

RECICLAJE Y TRATAMIENTO DE LOS NFU

1ª FASE, RECOGIDA SELECTIVA Y REUTILIZACIÓN

1. Antecedentes - Reciclado y Tratamiento de los NFU

REUTILIZACIÓN

Reciclado y Tratamiento de los NFU

1. Antecedentes - Reciclado y Tratamiento de los NFU

2ª FASE, TÉCNICAS DE RECICLADO Y APLICACIONES

Reciclado y Tratamiento de los NFU

APLICACIONES

2. Aplicaciones a capas drenantes en vertederos

Ventajas:

• Resistencia adecuada • Aislante térmico (heladas)

• Peso reducido • Alta permeabilidad

en vertederos

Aislante térmico (heladas)

Peso reducido • Alta permeabilidad

Desventajas:

• Autocombustión

• Gran deformabilidad

2. Aplicaciones a capas drenantes en vertederos

Especificaciones técnicas (ASTM D6270

• Alta permeabilidad (K

• Espesores mayores de 0.5 m

en vertederos

Especificaciones técnicas (ASTM D6270-98):

Alta permeabilidad (K≥10-3 m/s)

Espesores mayores de 0.5 m

3. Objetivos

A) Estudiar el comportamiento hidráulico de los NFU como material en capas drenantes de los sistemas de recolección de lixiviados y sellado de vertederosvertederos

B) Puesta a punto de un equipo que permita medir la permeabilidad de los NFU

el comportamiento hidráulico de los NFU como material en de los sistemas de recolección de lixiviados y sellado de

Puesta a punto de un equipo que permita medir la permeabilidad de los

4. Metodología Experimental

Determinar la relación entre caudales y gradientes de los NFU en función de diferentes tamaños de partículas y de la porosidad, utilizando un equipo especialmente diseñado en laboratorio.

Determinar la relación entre caudales y gradientes de los NFU en función de diferentes tamaños de partículas y de la porosidad, utilizando un equipo especialmente diseñado en laboratorio.

5. Material utilizado Porosidades iniciales 0.6 - 07

6. Equipo experimental

Edómetro con flujo estacionario


Dificultades:

• Estanqueidad del sistema

• Alta deformabilidad

• Tamaño de grano considerable• Tamaño de grano considerable

• Homogeneidad del flujo

• Gran adherencia con paredes laterales

• Altas permeabilidadesGradientes pequeños

Caudales grandes

TRANSDUCTOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL (DPT)

Gradientes pequeños

Caudales grandesIMPEDANCIA DEL SISTEMA

MEDIDA LATERAL DE LOS GRADIENTES

TRANSDUCTOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL CON ALTA RESOLUCIÓN


Celda edométrica

Células de carga

LVDT (desplazamiento)

DPTDPT

Equipo auxiliar

Caja electrónica y programa informático de adquisición de datosCaja electrónica y programa informático de adquisición de datos


Celda edométrica


Células de carga


LVDT (desplazamiento)


TRANSDUCTOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL


DPTDPT


TRANSDUCTOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL


Equipo auxiliar

7. Procedimiento de ensayo

1) Colocación muestra sin compactar; n = 0.6

2) Aplicación carga vertical registrando la deformación vertical

x va

rios

tam

años

3) Aplicación flujo vertical

4) En condiciones estacionarias, medida de la respuesta del DPT

5) En condiciones estacionarias, medida del caudal

6) En condiciones estacionarias, medida de la deformación inducida por el flujo

x va

rios

caud

ales

x va

rias

carg

as

x va

rios

tam

años

Colocación muestra sin compactar; n = 0.6 – 0.7

Aplicación carga vertical registrando la deformación vertical

En condiciones estacionarias, medida de la respuesta del DPT

En condiciones estacionarias, medida del caudal

En condiciones estacionarias, medida de la deformación

8. Resultados

Compresibilidad

60

Def

orm

ació

n v

erti

cal (

%)

10

20

30

40

50

Def

orm

ació

n v

erti

cal (

%)

0

0 100 200

Tensión vertical promedio

1-UPC7

3-UPC25

4-UPC25

6-UPC50

7-UPC50

300 400

promedio (kPa)

8. Resultados

Compresibilidad

0,8

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Po

rosi

dad

0,2

0,3

1 10

Tensión vertical promedio

1-UPC7

3-UPC25

4-UPC25

6-UPC50

7-UPC50

5-UPC25

100 1000

promedio (kPa)

8. Resultados

Relación Gradiente – Caudal unitario

1,2E-03

4,0E-04

6,0E-04

8,0E-04

1,0E-03

Cau

dal

un

itar

io (

m3/

m2/

s)

0,0E+00

2,0E-04

0 0,2 0,4

Gradiente

1-UPC7-n0.38

2-UPC7-n0.42

3-UPC25-n0.48

3-UPC25-n0.43

4-UPC25-n0.49

4-UPC25-n0.44

5-UPC25-n0.43

6-UPC50-n0.47

0,6 0,8

7-UPC50-n0.52

7-UPC50-n0.47

8. Resultados


1,2E-03

4,0E-04

6,0E-04

8,0E-04

1,0E-03

Cau

dal

un

itar

io (

m3/

m2/

s)

0,0E+00

2,0E-04

0 0,05

Gradiente

1-UPC7-n0.38

3-UPC25-n0.48

3-UPC25-n0.43

4-UPC25-n0.49

4-UPC25-n0.44

5-UPC25-n0.43

6-UPC50-n0.47

7-UPC50-n0.52

0,1 0,15

7-UPC50-n0.52

7-UPC50-n0.47

8. Resultados


7

2

3

4

5

6

Per

mea

biii

dad

(cm

/s)

0

1

0,0E+00 2,0E-04 4,0E-04 6,0E-04 8,0E

Caudal unitario (m3/m2/s)

1-UPC7-n0.38

2-UPC7-n0.42

3-UPC25-n0.48

3-UPC25-n0.43

4-UPC25-n0.49

4-UPC25-n0.44

5-UPC25-n0.43

8,0E-04 1,0E-03 1,2E-03

Caudal unitario (m3/m2/s)

7-UPC50-n0.47

8. Resultados

Permeabilidad

100

0,1

1

10

Per

mea

bili

dad

(cm

/s)

0,01

0 100 200

Tensión vertical promedio (kPa

1-UPC7

2-UPC7

4-UPC25

5-UPC25

6-UPC50

7-UPC50

3-UPC25

300 400

kPa)

8. Resultados

Permeabilidad

100

0,1

1

10

Per

mea

bili

dad

(cm

/s)

0,01

0 0,2 0,4

Per

mea

bili

dad

(cm

/s)

Porosidad

1-UPC7

4-UPC25

7-UPC50

3-UPC25

0,6 0,8

9. Interpretación de resultados

Formulación teórica de la permeabilidad, Kozeny

2

2

3

)1(5

1

⋅

−⋅⋅=

αη

γ D

n

nK w

espesor

D

V

A

D=→= α

α

Formulación teórica de la permeabilidad, Kozeny – Carman (Bear, 1972)

UPC 7 UPC 25 UPC 50

α 10 21,48 31,75


Formulación teórica de la permeabilidad, Kozeny

2

2

3

)1(5

1

⋅

−⋅⋅=

αη

γ D

n

nK w

1

10

100

Per

mea

bili

dad

med

ida

(cm

/s)

0,01

0,1

0,01 0,1 1

Per

mea

bili

dad

med

ida

(cm

/s)

Permeabilidad teórica (cm/s)

Formulación teórica de la permeabilidad, Kozeny – Carman (Bear, 1972)

UPC 7 UPC 25 UPC 50

α 10 21,48 31,75

y = 0,082xy = 0,082xR² = 0,423

10 100

Permeabilidad teórica (cm/s)


Otras expresiones :

2DK ⋅= β 2

2

3

)1(D

n

nK ⋅

−⋅= β

1

10

100

Per

mea

bili

dad

(cm

/s)

0,01

0,1

0 2 4

Per

mea

bili

dad

(cm

/s)

2DeK ⋅⋅= χβ

β = 0,738R² = 0,110

6 8 10 12 14

D^2(cm)


Otras expresiones :

2DK ⋅= β 2

2

3

)1(D

n

nK ⋅

−⋅= β

1

10

100

Per

mea

bili

dad

(cm

/s)

0,01

0,1

0 2

Per

mea

bili

dad

(cm

/s)

n

2DeK ⋅⋅= χβ

β = 2,037R² = 0,500

4 6 8 10

n3/(1-n)2 x D2


Otras expresiones :

2DK ⋅= β 2

2

3

)1(D

n

nK ⋅

−⋅= β

1

10

100

Per

mea

bili

dad

(cm

/s)

0,01

0,1

0 5

Per

mea

bili

dad

(cm

/s)

2DeK ⋅⋅= χβ

β = 0.936Χ = 3.02

R² = 0,537

10 15 20 25

eχ x D2


Diferenciación por rango de porosidad

y = 1,813xR² = 0,885

100

R² = 0,885

y = 0,586xR² = 0,217

0,1

1

10

Per

mea

bili

dad

(cm

/s)

0,01

0 5 10

e3.02 x D2

y = 0,796xR² = 0,577

y = 0,586xR² = 0,217

n=0.60-0.69

n=0.50-0.59

n=0.40-0.49

Lineal (n=0.60-0.69)Lineal (n=0.50-0.59)

15 20

e3.02 x D2

0.59)


Diferenciación por tamaño de la partícula

y = 0,983x

100

y = 0,983xR² = 0,404

0,1

1

10

Per

mea

bili

dad

(cm

/s)

y = 1,549xR² = 0,765

0,01

0 5 10

e3.02 x D

y = 0,983x

y = 0,914xR² = 0,418

y = 0,983xR² = 0,404

UPC7

UPC25

UPC50

15 20 25

x D2

UPC50


Ábaco de correlación

100

1

10

Per

mea

bili

dad

(cm

/s)

0,01

0,1

0 5 10 15

e3.02 x D2

UPC7-n=0.60-0.69

UPC7-n=0.40-0.49

UPC7-n=0.30-0.39

UPC25-n=0.60-0.69

UPC25-n=0.50-0.59

UPC25-n=0.40-0.49

UPC50-n=0.50-0.59

UPC50-n=0.40-0.49

20 25

Z

Zmin

Zmax

β=0.9363βmin=0.5861βmáx=1.8131


Ábaco de correlación

100

1

10

Per

mea

bili

dad

(cm

/s)

0,01

0,1

0 1 2 3

e3.02 x D2

UPC7-n=0.60-0.69

UPC7-n=0.40-0.49

UPC7-n=0.30-0.39

UPC25-n=0.60-0.69

UPC25-n=0.50-0.59

UPC25-n=0.40-0.49

UPC50-n=0.50-0.59

UPC50-n=0.40-0.49

4 5

Z

Zmin

Zmax

β=0.9363βmin=0.5861βmáx=1.8131


1000

Ábaco de correlación. Comparación con ensayos de otros autores

1

10

100

Per

mea

bili

dad

(cm

/s)

0,01

0,1

0 50 100

e3.02 x D2

UPC7-n=0.60-0.69

UPC7-n=0.40-0.49

UPC7-n=0.30-0.39


UPC7-n=0.30-0.39

UPC25-n=0.60-0.69

UPC25-n=0.50-0.59

UPC25-n=0.40-0.49

UPC50-n=0.50-0.59

UPC50-n=0.40-0.49

Z

Zminβmin=0.5861

β=0.9363

150 200

Zmin

Zmax

Aydilek-50-n=0.50-0.59

Warith&Rao-50-n=0.40-0.49

Aydilek-50-n=0.60-0.69


βmin=0.5861βmáx=1.8131



100

1

10

Per

mea

bili

dad

(cm

/s)

0,01

0,1

0 5 10 15 20

e3.02 x D2


UPC7-n=0.60-0.69

UPC7-n=0.40-0.49

UPC7-n=0.30-0.39UPC7-n=0.30-0.39

UPC25-n=0.60-0.69

UPC25-n=0.50-0.59

UPC25-n=0.40-0.49

UPC50-n=0.50-0.59

UPC50-n=0.40-0.49

Z

Zminβmin=0.5861

β=0.9363

20 25 30

Zmin

Zmax

Aydilek-50-n=0.50-0.59


Aydilek-50-n=0.60-0.69


βmin=0.5861βmáx=1.8131


Estudio del tipo de flujo y el número de Reynolds

αν50

1

4Re

D

n

qp ⋅

−⋅=

22

1

⋅⋅⋅=

n

q

giDf

Factor de fricción vs número de Reynolds (Bear, 1988)

UPC 7 UPC 25 UPC 50

Clasificación esquemática de los flujos en medio poroso a partir de f y Re (Bear 1988)

UPC 7 UPC 25 UPC 50

α 10 � 48 21,48 � 65 31,75 � 74


1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

Fac

tor

de

fric

ció

nf

1,0E+01

1,0E+02

1,0E-02 1,0E-01 1,0E+00 1,0E+01

Fac

tor

de

1,0E+04

1,0E+05

Fac

tor

de

fric

ció

n f

1,0E+01

1,0E+02

1,0E+03

1,0E+04

1,0E-02 1,0E-01 1,0E+00 1,0E+01

Fac

tor

de

fric

ció

n f

UPC7

UPC25

1,0E+01 1,0E+02 1,0E+03

Re

UPC25

UPC50

1,0E+01 1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04

Re

UPC7

UPC25

UPC50

10. Conclusiones y futuras líneas de investigación

• Los NFU son altamente compresibles, habrádimensionar el ancho de capa para que sea mayor

• El uso de un transductor de presión diferencialmétodos ordinarios de medida de permeabilidad

• La norma exige que las capas drenantessuperior a 10-3 m/s. Este hecho se cumple enun punto para el tamaño UPC 7, llegando a compresiones

• El rango de las permeabilidades obtenidasprevios, ratificando su validez para este uso

• En grandes rasgos la permeabilidad de unsu porosidad y tamaño del grano según la siguientesu porosidad y tamaño del grano según la siguiente

donde β dependerá de la porosidad y del propioentre 1.81 (cota superior) y 0.59 (cota inferior),Valores más que aceptables para flujo laminar

• Con este uso se potenciaría el reciclaje derespecto a la utilización de otros granulares comoes muy económico para tamaños superiores a

202.3DeK ⋅⋅= β


habrá que tenerlo en cuenta a la hora demayor de 0.5 m

diferencial a supuesto un gran avance respecto apermeabilidad

de los vertederos tengan una permeabilidadtodos los ensayos realizados a excepción de

compresiones superiores a los 350 kPa

obtenidas es similar al de otros estudios

NFU troceado puede ser estimada a partir desiguiente formulación:siguiente formulación:

propio tamaño, pero en general tendrá valoresinferior), tomando β = 0.94 como valor medio.

laminar

los NFU. Además este uso abarataría costescomo gravas, dado que el proceso de troceadoa los 20 mm


Futuras líneas de investigación:

Evaluar el comportamiento del NFU troceado para flujos no laminares. De esta forma se podrán obtener una mayor gama de números de Reynolds y estudiar el comportamiento de los NFU en condiciones de flujo transitorio y/o turbulento. A su vez se podría comprobar si el parámetro de forma es un parámetro puramente físico, o más bien de ajuste.parámetro de forma es un parámetro puramente físico, o más bien de ajuste.

No menos importante sería realizar un estudio del comportamiento hidráulico de mezclas de NFU + Suelo, así como su segregación


Evaluar el comportamiento del NFU troceado para flujos no laminares. De esta forma se podrán obtener una mayor gama de números de Reynolds y estudiar el comportamiento de los NFU en condiciones de flujo transitorio y/o turbulento. A su vez se podría comprobar si el parámetro de forma es un parámetro puramente físico, o más bien de ajuste.parámetro de forma es un parámetro puramente físico, o más bien de ajuste.

No menos importante sería realizar un estudio del comportamiento hidráulico de mezclas de

estudio experimental del flujo de agua en rellenos de neumáticos troceados fuera de uso

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