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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
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fund
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n
Est
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zaci
ón d
epe
rfora
cion
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Sel
lado
de
pozo
s
Pel
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ació
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al
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tos
Cla
rific
ació
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o
Est
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tos
OTR
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Prep
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Det
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BEN
TON
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A
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Cla
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Cem
enta
ción
de
fisur
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n ro
ca
Des
alin
izad
or d
e ag
ua
Figura 1.3- Usos de la bentonita.
Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado 41
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.
42 Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado -
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.
Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado 43
(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.
44 Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado -
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).
Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado 45
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.
46 Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado -
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.
Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado 47
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.
48 Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado -
Bloqueo del desplazamiento vertical
Tórica degoma
Conección de airecon HR controlada
MuestraDiámetro= 50 mmAltura= 50 mm
Inyección de aguaPiedra porosametálica
Bloqueo del desplazamiento vertical
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
lever mechanism: 13.43x
Célula de carga
deformación FS: < 0.06 mm
Bloqueo del desplazamiento vertical
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
lever mechanism: 13.43x
FS = 1.5 kN
no-lin.+hist.: 0.07% FS
0.07 0.87 m
lever mechanism: 13.43x
Célula de carga
deformación FS: < 0.06 mm
Bloqueo del desplazamiento vertical
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.
Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado 49
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
50 Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado -
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.
Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado 51
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.
52 Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado -
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.
Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado 53
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.
54 Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado -
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
Diámetro de poro inyectado, nm
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.
Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado 55
10 1000 100000
Diámetro 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)]
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
Diámetro de poro inyectado, nm
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.
56 Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado -
FEBEX (1.55 Mg/m3 )PELLETS (1.45 Mg/m3)
13 nm21 µm
15 µm
10 100 1000 10000 100000 1000000
Diámetro de poro inyectado, nm
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
Diámetro de poro inyectado, nm
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.
Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado 57
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.
Diámetro de poro inyectado, nm
[Vol
. de
vaci
os] / [
gr. m
ater
ial]
Diámetro de poro inyectado, nm
[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.
58 Capitulo 1. Características fundamentales del material utilizado -
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).
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