Informativos

Activación química de carbón de leña de quebracho colorado de Villamontes

ARDUZ MENDIETA PABLO 1

1 Investigador Junior – Departamento de Procesos Industriales Biotecnológicos y Medio Ambientales – Carrera de Ingeniería Química. Facultad de Ciencias y Tecnología – Universidad Autónoma “Juan Misael Saracho”

RESUMEN

El objetivo de la investigación es el determinar el mejor y más eficiente método de activación química de bajo coste de carbón de leña comercial de Quebracho Colorado de Villamontes, debido a que este carbón es el más abundante y accesible de la región con el que cualquier persona pueda obtener carbón activado con reactivos como el Ácido Fosfórico y el Cloruro de Calcio que son de bajo coste y accesibilidad.

El carbón activado es un carbón altamente poroso que tiene la característica de retener en su interior moléculas de contaminantes. Normalmente es utilizado como filtro adsorbedor de olores y contaminantes para purificar el agua y el aire.

La activación química activa a los carbones con reactivos deshidratantes, como el Ácido Fosfórico y el Cloruro de Calcio, a temperaturas elevadas.

Para el proceso de investigación se molió la materia prima a un tamaño de partícula menor a 0,125 mm, luego se procedió a la impregnación con el reactivo precursor y se procedió a activar a una de las temperaturas seleccionadas (400°C, 600°C u 800°C). De acuerdo a los resultados obtenidos en los análisis de Azul de Metileno y Número de Iodo, el mejor procedimiento de activación química es la Activación con Ácido Fosfórico a una proporción de Carbón/Reactivo de 1/2 a una temperatura de 600°C, siendo este método de activación óptimo para producir carbón activado de forma artesanal con propiedades de adsorción comparables con un carbón activado comercial.

PALABRAS CLAVE

Carbón, Activación Química, Carbón de Leña, Activado, Quebracho Colorado, Accesibilidad.

ABSTRACT

The objective of this research is to determine the best and most efficient low cost chemical activation method of charcoal from Quebracho Colorado from Villamontes, because this coal is the most abundant and accessible in the region for anyone could obtain activated carbon with reagents such as Phosphoric Acid and Calcium Chloride that are low cost and accessible.
Activated charcoal is a highly porous charcoal that has the characteristic of retaining in its interior molecules of contaminants. It is normally used as an adsorber filter for odors and contaminants to purify water and air.
Active chemical activation of coals with dehydrating reagents, such as phosphoric acid and calcium chloride, at elevated temperatures
For the research process, the raw material was ground to a particle size of less than 0.125 mm, then the impregnation was carried out with the precursor reagent and activated at one of the selected temperatures (400 ° C, 600 ° C or 800 ° C). According to the results obtained in the analyzes of Methylene Blue and Iodine Number, the best chemical activation procedure is Activation with Phosphoric Acid at a ratio of Coal / Reagent of 1/2 at a temperature of 600 ° C, being This method of optimum activation to produce artistically activated carbon with adsorption properties comparable with a commercial activated carbon.

KEYWORDS

Charcoal, Chemical Activation, Charcoal, Activated, Quebracho Colorado, Accesibility.

INTRODUCCIÓN

El Carbono es el sexto elemento de la tabla periódica, con una masa atómica de 12 uma y símbolo C, este elemento es el cuarto más abundante en el universo. El carbono es la base de la química orgánica, es el elemento que forma más compuestos, aproximadamente 16 millones de compuestos con un aumento de 500000 compuestos por año. El carbono tiene 7 formas alotrópicas de las cuales las principales son el grafito, el diamante y el fullereno. (Menéndez-Díaz, 2006)

Se puede definir que un carbón activado es aquel material de origen biológico que se prepara artificialmente mediante procesos específicos, con los que se pretende dotarlo de una determinada estructura porosa. La característica más importante, de estos materiales es su elevada capacidad adsorbente, basada esencialmente en una estructura porosa muy desarrollada.

Las propiedades de cada carbón activo dependen en gran medida del material biológico de partida, ya que éste determina de forma esencial las características estructurales del carbón resultante. Lo que se hace en la preparación de carbones activos es abrir poros, pero respetando la estructura original del material de partida (Martínez).

La porosidad es la principal propiedad física que caracteriza al carbón activado; esta propiedad está en función de los diferentes poros y de acuerdo a su distribución. De acuerdo a la IUPAC los poros se clasifican en tres grupos:

  • Macroporos con un tamaño de poro mayor a los 50 nm.
  • Mesoporos con un tamaño de poro entre 2 a 50 nm.
  • Microporos con un tamaño de poro menor a los 2 nm.
    Fuente: J.A. Menéndez (2006)

    FIGURA 1: Representación de la Red de Poros del Carbón Activado.

El carbón activado se obtiene mediante procesos de carbonización y activación de la materia prima.

Mediante el proceso de carbonización se consigue obtener un carbón de baja superficie específica, debido a que en este proceso lo que se hace es eliminar elementos como oxígeno e hidrógeno, por descomposición del material de partida en atmósfera inerte (de nitrógeno, usualmente), resultado de ello es un material formado por uniones de microcristales grafíticos elementales, usualmente taponados por alquitranes y residuos de carbonización, lo que disminuye notablemente la capacidad adsorbente.

La activación física es el resultado de la gasificación del material carbonizado a temperaturas elevadas. En la carbonización se eliminan elementos como el hidrógeno y el oxígeno del precursor para dar lugar a un esqueleto carbonoso con una estructura porosa rudimentaria. Durante la gasificación el carbonizado se expone a una atmosfera oxidante (vapor de agua, dióxido de carbono, o mezcla ambos) que elimina los productos volátiles y átomos de carbono, aumentando el volumen de poros y el área específica (Donacio Luna, 2007).

La activación química es generada por reacciones de deshidratación química, que tienen lugar a temperaturas mucho más bajas. En este proceso el material a base de carbón se impregna con un agente químico como el ácido fosfórico, cloruro de zinc o el hidróxido de potasio, y el material impregnado se calienta en un horno a 500–700 °C. Los agentes químicos utilizados reducen la formación de materia volátil y alquitranes. El carbón resultante se lava para eliminar los restos del agente químico usado (Donacio Luna, 2007).

Un carbón activado es estructuralmente un material carbonoso no grafítico, casi cualquier material sólido carbonoso se puede convertir en carbón activado. Hay, por lo tanto, una variedad de posibles materias primas tales como madera, biomasa lignocelulósica, turba, lignito y carbón de leña que se pueden utilizar para hacer carbón activado. Sin embargo, hay algunas limitaciones, dado que el carbón activado es desordenado e isotrópico, la materia prima en el momento de carbonización y activación no debe pasar a través de un estado fluido o pseudofluido debido al hecho de que la estructura sólida tiende a transformarse en una estructura ordenada.

Las propiedades resultantes del producto dependen del precursor, y, en consecuencia, los carbonos se pueden adaptar para aplicaciones seleccionadas. Además, las propiedades de carbón activado resultante, también están influenciadas en gran medida por el tratamiento de activación. La selección de la materia prima adecuada se basa en los siguientes criterios (Rodriguez-Reinoso, 1997):

Posibilidad de producir un carbón activado bueno en términos de capacidad de adsorción, de alta densidad y dureza.

Baja materia inorgánica. La capacidad de absorción se mide por unidad de masa, y puesto que los materiales inorgánicos no son porosos, su presencia reduce la capacidad de adsorción.

Disponibilidad y costo. Al igual que con cualquier otro producto, el precio de la materia prima afecta el costo final, por lo que una alta disponibilidad es importante para asegurar la estabilidad de precios. También debe tenerse en cuenta que hay una considerable pérdida de masa en todos los tratamientos de activación, y mientras menor sea el rendimiento del producto, mayor será el costo. Los rendimientos de los productos pueden variar considerablemente, y pueden ser tan bajo como 5 a 10% de carbonos a base de madera.

Para el presente proyecto se utilizará carbón de leña de Quebracho Colorado producido en el departamento de Tarija, el cual, según datos de la ABT de Tarija, es la principal materia prima del carbón de leña comercial, el cual se produce aproximadamente unas 2380 toneladas al año en el departamento (Dato de la gestión 2014).

MATERIALES Y MÉTODOS.

Se utilizó el Carbón de Leña de Quebracho Colorado de Villamontes como materia prima, como precursores se utilizaron el Ácido Fosfórico al 85% de grado técnico-alimenticio y el Cloruro de Calcio Anhidro con una pureza estimada del 99%

La metodología seguida para el proceso fue:

  • MOLIENDA Y TAMIZADO.

La materia prima se redujo en tamaño con un martillo común hasta obtener pedazos pequeños de carbón, los cuales posteriormente fueron molidos en un molino de rodillos perteneciente al Laboratorio de Operaciones Unitarias (L.O.U.) de la Universidad Autónoma Juan Misael Saracho (U.A.J.M.S), hasta alcanzar la granulometría deseada de tamaño de partícula menor a 0,063 mm.

Para obtener un alto rendimiento del uso de la materia prima se combinaba la molienda con el tamizado, separando las partículas grandes de las pequeñas de carbón para poder molerlas hasta el tamaño requerido y así obtener la muestra de una granulometría homogénea.

El tamizado fue realizado con una zaranda o tamiz perteneciente al L.O.U. de la U.A.J.M.S., el cual fue usado para verificar que la totalidad de la muestra se encuentre en un tamaño de partícula inferior a 0.063mm.

  • ANÁLISIS DE LA HUMEDAD DE LA MATERIA PRIMA.

El análisis de humedad de la materia prima fue realizado en una balanza de humedad y secador de infrarrojos de marca Sartorius en la cual se pesó una muestra de 6 g. y se la secó a 105 °C hasta peso constante.

  • DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE IODO DE LA MATERIA PRIMA.

La determinación del número de Iodo de la materia prima se realizó para conocer la capacidad de adsorción del carbón de leña de quebracho colorado de Villamontes, siendo este análisis un parámetro comercial de calidad de carbones activados.

El procedimiento del análisis se realizó de acuerdo a la norma AWWA B 600-78 de la American Water Works Association y su equivalente la norma ASTM D4607-94.

  • DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE AZUL DE METILENO DE LA MATERIA PRIMA.

El análisis de azul de metileno sirve para determinar la capacidad de adsorción de los carbones activados con moléculas de similares dimensiones del azul de metileno. El método de análisis del número azul de metileno se realizó de acuerdo a los procedimientos establecidos por el compendio de métodos de test para el carbón activado del concilio europeo de federaciones de manufactureros químicos (Concilio Europeo de Manufactores Químicos, 1986) y la norma técnica colombiana NTC-4467.

  • IMPREGNACIÓN DE LA MATERIA PRIMA.

La impregnación es la etapa del proceso de obtención de carbón activado en la cual la materia prima se junta y/o mezcla con el reactivo o precursor activante. En el caso del presente proyecto se utilizó como activantes el ácido fosfórico y el cloruro de calcio, para cada uno de los cuales se realizaron los siguientes procesos:

a) Impregnación con Ácido Fosfórico

  • En cada uno de los tres crisoles utilizados se agregó 17 gr de carbón de leña de Quebracho Colorado de Villamontes.
  • A cada uno de los crisoles con carbón se colocó respectivamente 20; 30 y 40 gr de Ácido Fosfórico al 85%.
  • Se agitó suavemente las mezclas de carbón con ácido hasta que las mezclas sean homogéneas.
  • Se colocaron los crisoles en una estufa a 110°C durante 6 horas.

b) Impregnación con Cloruro de Calcio.

  • Se utilizaron tres crisoles a los cuales se colocó 17 gr de carbón de leña de Quebracho Colorado de Villamontes.
  • A cada uno de los crisoles con carbón se agregó respectivamente 17; 25,5 y 34 gr de Cloruro de Calcio Anhidro.
  • Luego se puso a cada crisol 40 gr de agua para crear una solución de la mezcla.
  • Se agitó suavemente las mezclas hasta que las mezclas sean homogéneas.
  • Se colocaron los crisoles en una estufa a 110°C durante 6 horas.

ACTIVACIÓN QUÍMICA.

Luego del proceso de impregnación viene la etapa más importante que es la activación química. El procedimiento de la activación es el siguiente:

  • Introducir los crisoles con las muestras impregnadas dentro de la mufla a utilizar.
  • Programar la mufla a la temperatura requerida y seleccionada. Para la presente investigación se realizó la activación química a tres diferentes temperaturas, las cuales son 400° C, 600° C y 800° C.
  • Iniciar el calentamiento de la mufla y dejarla operar 24 horas.
  • Pasadas las 24 horas de operación apagar la mufla y dejar enfriar lentamente hasta que sea seguro retirar las muestras.
  • Una vez retiradas las muestras de la mufla, se procede a pesarlas.
  • DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE IODO DEL PRODUCTO OBTENIDO.

Al igual que la materia prima el procedimiento del análisis del número de Iodo del producto obtenido se realizó de acuerdo a las normas de la American Water Works Association AWWA B 600-78, Concilio Europeo de Manufactores Químicos, 1986 y la norma ASTM D4607-94, donde una solución de Iodo 0.1 N se filtra en una masa determinada de carbón activado y luego se titula con tiosulfato de Sodio 0.1N para conocer la concentración residual de la solución filtrada.

  • DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE AZUL DE METILENO DEL PRODUCTO OBTENIDO.

Del mismo modo que la materia prima los análisis para determinar adsorción del azul de metileno por el producto obtenido se realizó por el procedimiento explicado en las normas ya mencionadas.

  • COMPARACIÓN DEL CARBÓN ACTIVADO OBTENIDO CON UNO COMERCIAL.

A un carbón activado comercial de marca CLARIMEX se le realizaron las pruebas de Número de Iodo y de Azul de Metileno para comparar los resultados con el del carbón activado obtenido por el proceso.

RESULTADOS.

Humedad de la materia prima.

La humedad de la materia prima fue analizada con una balanza de humedad y/o secador de infrarrojos de marca Sartorius, para ello se analizó 6 muestras de carbón de leña de Quebracho Colorado de Villamontes pulverizado, las cuales fueron muestreadas del carbón a utilizar para cada lote de carbones que entraron a la mufla. Los resultados obtenidos se presentan en la siguiente tabla:

TABLA 1: Resultados del Análisis de Humedad de la Materia Prima.

FUENTE: Elaboración Propia. 2016

Donde el promedio (media aritmética) de los datos de humedades de 4.035%, por lo tanto, se considera ese valor como el de la humedad de la materia prima.

Resultados de la prueba de Número de Iodo.

La prueba de Número de Iodo se define como la masa en miligramos de Iodo atómico que se adsorbe por gramo de carbón cuando la concentración de la solución residual de Iodo filtrada por el carbón es igual a ٠.٠٢ N.

Los resultados obtenidos en esta prueba para el carbón de leña de Quebracho Colorado de Villamontes, los carbones activados obtenidos en el proceso de investigación y el carbón activado comercial se dan en las siguientes tablas:

TABLA 2: Número de Iodo de la Materia Prima.

 

FUENTE: Elaboración Propia. 2016

TABLA ٤: Número de Iodo del Carbón Activado Comercial marca CLARIMEX.

FUENTE: Elaboración Propia. 2016

Resultados de la prueba de adsorción de azul de metileno.

En la prueba de azul de metileno se determinó la cantidad decolorada de la solución por ٠.١ gramos de carbón; la prueba se realizó a cada uno y a todos los diferentes carbones. El valor del número de azul metileno es igual al volumen de la solución de azul de metileno que fue decolorado por gramo de carbón activado.

Los resultados obtenidos en esta prueba para el carbón de leña de Quebracho Colorado de Villamontes, los carbones activados obtenidos en el proceso de investigación y el carbón activado comercial se dan en las siguientes tablas:

TABLA ٥: Número de Azul de Metileno de la Materia Prima.

FUENTE: Elaboración Propia. 2016

TABLA 6: Número de Azul de Metileno de los Carbones Activados obtenidos a diferentes condiciones.

FUENTE: Elaboración Propia. 2016

TABLA 6: Número de Azul de Metileno del Carbón Activado Comercial marca CLARIMEX.

FUENTE: Elaboración Propia. 2016

Rendimientos y eficiencias de adsorción de los carbones activados obtenidos.

Las eficiencias y rendimientos obtenidos de cada uno de los métodos de activación química deben ser analizados para poder determinar cuál de los diferentes métodos es el mejor.

El rendimiento en masa no es el único parámetro comparativo y éste en sí no es importante y determinante a la hora de seleccionar el método más eficiente, para ello se determina la eficiencia de adsorción del azul de metileno y el número de Iodo, los cuales indican cuanto mejoraron la calidad en estos parámetros los diferentes métodos de activación química estudiados, tomando como parámetro inicial los valores de adsorción de azul de metileno y número de Iodo de la materia prima.

El rendimiento en masa de los diferentes carbones activados obtenidos se define como la relación entre la masa del producto obtenido y la masa de la materia prima utilizada, por lo tanto, el porcentaje del rendimiento en masa es igual a:

La eficiencia del Número de Iodo se define como la relación entre el Número de Iodo del Carbón Activado Obtenido y el Número de Iodo de la materia prima, el porcentaje de la eficiencia del número de Iodo es igual a:

La eficiencia del Número de Azul de Metileno es definida como la relación del Número de azul de metileno del carbón activado entre el número de azul de metileno de la materia prima. El porcentaje de la eficiencia del número de azul de metileno es igual a:

En la siguiente tabla se pueden apreciar los valores de las eficiencias de los números de Iodo, Azul de Metileno, además del valor del rendimiento en peso de todos los tratamientos de activación química que se realizaron. Las eficiencias y el rendimiento fueron obtenidos con los valores promedio del Número de Iodo, Número de Azul de Metileno y las diferentes masas obtenidas.

Tabla ٨: Rendimiento y Eficiencias del Carbón Activado.

FUENTE: Elaboración Propia. 2016

De acuerdo a los resultados obtenidos el mejor carbón activado que se obtuvo es el que fue activado con Ácido Fosfórico a una temperatura de activación de 600 °C y una relación másica de materia prima/reactivo de 1/1.5.

Comparación del mejor carbón activado con uno comercial.

En la siguiente tabla se puede comparar las propiedades y características del carbón activado comercial de marca CLARIMEX (el cual es usado en EMBOL S.A. de Tarija) y el carbón activo obtenido por activación química con ácido fosfórico a 600°C a una proporción de materia prima/reactivo de 1/1.5.

Tabla ٩: Comparación entre Carbones Activados.

FUENTE: Elaboración Propia. 2016

La diferencia entre los carbones activos es notoria debido a que el carbón activado de marca CLARIMEX usa como materia prima el carbón de cáscara de coco, que es menos denso que el carbón de leña de quebracho colorado, y el proceso de activación es realizado bajo una atmósfera pobre en oxígeno. Mientras menos densa sea la materia prima, mejores resultados se obtendrá en términos de adsorción debido a que un carbón altamente poroso es menos denso que uno poco poroso.

El carbón activado obtenido de la leña de Quebracho Colorado obtuvo buenos resultados para ser activado en presencia de una atmósfera rica en oxígeno. De acuerdo a los resultados obtenidos, este carbón es viable para usarlo en diferentes aplicaciones.

DISCUSIÓN.

Se obtuvo carbones activados a 400 °C con Ácido Fosfórico y a 400 °C con Cloruro de Calcio, solo se obtuvo carbón activado a 600 °C con Ácido Fosfórico.

No se obtuvo carbones activados a 800° C debido que a esa temperatura combustionó el carbón, además se observó que con cloruro de calcio a temperaturas mayores de 400°C combustionó e incluso reaccionó el carbón con el Cloruro de Calcio.

Mientras más baja la temperatura de activación con ácido fosfórico del carbón mejores rendimientos en masa se obtiene; con el cloruro de calcio se obtuvieron los peores valores de rendimiento en masa debido a que la sal es un agente desecante que promueve la oxidación del carbón (combustión).

Los rendimientos o eficiencias en la capacidad de adsorción del carbón activado en base a la materia prima se vieron significativamente aumentadas a casi y más de tres veces a una temperatura de 600°C con ácido fosfórico, y la actividad en los mesoporos con moléculas del tamaño del azul de metileno se ve aumentada a más de cuatro veces de la capacidad del carbón de leña de Quebracho Colorado de Villamontes.

El presente trabajo sirve como referencia para seleccionar un método óptimo para obtener carbón activado a escala industrial, pero para ello se recomienda optimizar los procesos de activación e impregnación y realizar un estudio de los tiempos de duración de los mismos.

Para mejorar la calidad de los carbones activados se recomienda que el proceso de activación se realice en ausencia de oxígeno o a una atmósfera pobre del mismo para evitar la combustión de los mismos.

Es recomendable utilizar Ácido Fosfórico de grado técnico-alimenticio al 85% y no P.A., debido a que no es necesario un grado para análisis, y el costo del ácido fosfórico de grado técnico-alimenticio es menor al 10% del grado para análisis.

Se debe realizar un lavado exhaustivo del carbón activado con agua limpia hasta que el pH sea neutro y dejarlo secar al menos una hora a una temperatura de 105°C debido a que puede haber rastros del activante y de sales que se hayan formado del ácido.

Se debe guardar el carbón activo en un lugar protegido de la humedad y de malos olores debido a que el carbón activado se puede contaminar y disminuir sus capacidades de adsorción.

BIBLIOGRAFÍA

Concilio Europeo de Manufactores Químicos. (1986). Test Methods For Activated Carbon. EFIC.

Donacio Luna, A. G. (2007). Obtención de Carbón Activado a partir de la cáscara de coco. México.

Martínez, J. M. (s.f.). Adsorción física de gases y vapores. Alicante, España: Universidad de Alicante.

Menéndez-Díaz, J. (2006). Types of carbon adsorbents and their production. En T. Bandosz, Activated carbon surfaces in environmental remediation (págs. 1-48). ELSEVIER.

Rodriguez-Reinoso, F. (1997). Introduction to carbon Technologies. Alicante, España: Publicaciones Universidad de Alicante.

Correo electrónico: pabloarzmen@gmail.com

COMPARACIÓN DE RESULTADOS ENTRE DEFLECTOMETRÍA Y ENSAYOS DE CBR, RELATIVOS A LA ESTIMACIÓN DEL MÓDULO RESILIENTE

Aplicación al tramo Túnel Falda de la Queñua – San Lorencito

SOTO SALGADO LAURA1 SORUCO PARAVICINI KATERINE2

1: Docente investigadora, 2: Investigadora junior

Dpto. de Topografía y Vías – Carrera de Ingeniería Civil – Facultad de Ciencias y Tecnología – UAJMS

RESUMEN

El artículo recopila las diferentes metodologías para caracterizar la resistencia de la subrasante y la capacidad estructural efectiva de una estructura de pavimento.

Históricamente se ha utilizado el ensayo de valor soporte (CBR) para caracterizar la subrasante y con ello diseñar y valuar el paquete estructural. Este tipo de ensayo evalúa la calidad del suelo con base a su resistencia bajo condiciones de humedad y densidad controladas, y a través de correlaciones se determina el Módulo Resiliente.

Asimismo se analiza el comportamiento del sistema pavimento – subrasante del tramo Túnel Falda de la Queñua – San Lorencito.

Se plantea la obtención del Módulo Resiliente (MR) mediante el equipo no destructivo conocido como Viga Benkelman, para medir las deflexiones generadas en el pavimento a partir de la aplicación de una carga móvil que simula la aplicación de cargas cíclicas generadas por el paso de los vehículos, analizando la deflexión final en la subrasante. Estas deflexiones son analizadas e interpretadas a través de un modelo matemático para calificar y cuantificar el estado estructural del pavimento.

Al comparar los Módulos Resilientes obtenidos por ambas metodologías, se encontraron diferencias entre uno y otro método. El análisis de estos resultados nos ayudará a determinar características de campo más reales para una posible aplicación en la evaluación de la estructura o bien para determinar el tipo de mantenimiento que se deba aplicar a la estructura ante la presencia de fallas.

PALABRAS CLAVE

Módulo Resiliente, Suelo, Viga Benkelman.

ABSTRACT

The article compiles the different methodologies to characterize the resistance of the subgrade and the effective structural capacity of a pavement structure.

Historically the support value test (CBR) has been used to characterize the subgrade and thereby design and value the structural package. This type of test evaluates soil quality based on its resistance under controlled humidity and density conditions, and through correlations the Resilient Module is determined.

The behavior of the pavement – subgrade system of the tunnel section Skirt of the Queñua – San Lorencito is also analyzed.

It is proposed to obtain the Resilient Module (MR) using non-destructive equipment known as Viga Benkelman, to measure the deflections generated in the pavement from the application of a mobile load that simulates the application of cyclic loads generated by the passage of the Vehicles, analyzing the final deflection in the subgrade. These deflections are analyzed and interpreted through a mathematical model to qualify and quantify the structural condition of the pavement.

When comparing the Resilient Modules obtained by both methodologies, differences between the two methods were found. The analysis of these results will help us to determine more real field characteristics for a possible application in the evaluation of the structure or to determine the type of maintenance that must be applied to the structure in the presence of faults

KEYWORDS

Resilient Module, soil, Benkelman Beam.

INTRODUCCIÓN

Con la información de deflexiones obtenida se puede determinar, con fines de seguimiento, la capacidad estructural de un modelo estructural de pavimento en cualquier momento de su vida de servicio, y conocer su desempeño, así como establecer y cuantificar las necesidades de rehabilitación.

En la medida en que un pavimento complete su periodo de diseño, construcción y la necesidad de preservarlo, se incrementa la necesidad de evaluar la capacidad estructural del pavimento.

Ante esta situación y dada la complejidad y altos costos que implica la realización de los ensayos del Módulo Resiliente (MR), parámetro que representa el comportamiento de los materiales que conforman el pavimento ante la acción de cargas de tránsito a la que se ven sometidas, se ha optado por obtener este parámetro a partir de correlaciones que determinan el Módulo Resiliente (MR) a través de ensayos de valor de soporte relativo (CBR) para caracterizar las capas del pavimento. No obstante, y con la finalidad de minimizar los tiempos requeridos e incrementar el número de mediciones, se propone la estimación del Módulo Resiliente (MR) a partir de ensayos no destructivos, los cuales se basan en la determinación de la capacidad estructural del pavimento mediante un análisis de deflectometría.

Con base a las deflexiones obtenidas es posible por medio de metodologías de retrocálculo determinar el Módulo Resiliente (MR) de las capas de la estructura de pavimento, minimizando de esta forma tiempo y costos, y reduciendo los procedimientos destructivos que impliquen la rotura de la vía y la extracción de muestras de campo.

Esta investigación busca mostrar metodologías mecánico – empíricas que permitan comparar los resultados obtenidos con los módulos determinados a partir de ensayos de laboratorio, analizando la relación entre ambas metodologías a partir de la influencia de diferentes factores como ser: el contenido de humedad de los materiales, la teoría de capas elásticas y la temperatura, que ayuden sustancialmente a la interpretación y manipulación de los datos recolectados.

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

Mediante el presente proyecto de investigación se pretende lograr un análisis de deformaciones de los pavimentos mediante el estudio de comparar los resultados de valores de Módulos Resilientes obtenidos con la Viga Benkelman y los determinados con el valor de soporte CBR.

Objetivo General.

Comparar del Módulo Resiliente (MR) obtenido a través de ensayos de laboratorio con los obtenidos mediante la Viga Benkelman, para establecer la correspondencia entre ellos, a través de las medir deflexiones.

Objetivos Específicos.

  • Evaluar el procedimiento de cálculo para la determinación del Módulo Resiliente a través de ensayos de laboratorio y mediante ensayos no destructivos.
  • Determinar el Módulo Resiliente a partir del modelo matemático de Hogg Simplificado para cada uno de los puntos donde se realizó el ensayo con la Viga Benkelman.
  • Realizar el ensayo de valor soporte CBR del suelo en laboratorio a través de muestras obtenidas de los diferentes bancos para caracterizar cada una de las capas que conforman el pavimento.
  • Evaluar la determinación y el comportamiento resiliente de los materiales de las capas del pavimento en base a datos obtenidos por la Viga Benkelman y los obtenidos en laboratorio.

CONSIDERACIONES FUNDAMENTALES

CONCEPTO DE DEFLEXIÓN.

La deflexión de un pavimento se define como el valor que representa la respuesta estructural ante la aplicación de una carga vertical externa. También se define como el desplazamiento vertical del paquete estructural de un pavimento ante la aplicación de una carga; generalmente, la carga es producida por el tránsito vehicular. (SalgadoTorres, 2002.)

Cuando se aplica una carga en la superficie no solo se desplaza el punto bajo su aplicación, produciendo una deflexión máxima, sino que también se desplaza una zona alrededor del eje de aplicación de la carga, que se denomina cuenco de deflexión.

Figura 1: Esquema de un cuenco de deflexión

La deflexión permite ser correlacionada con la capacidad estructural de un pavimento, demanera que si la deflexión es alta en un modelo estructural, la capacidad estructural delmodelo de pavimento es débil o deficiente, y lo contrario, si la deflexión es baja, quiere decir que el modelo estructural del pavimento tiene buena capacidad estructural.

MODELO DE HOGG.

En 1944, A. H. A. Hogg presentó la solución matemática del modelo que lleva su nombre. El modelo deHogg está basado en un sistema hipotético de dos capas: una delgada, con cierta rigidez a la flexión y horizontalmente infinita, y otra elástica, homogénea e isotrópica, de espesor que puede ser infinito o limitado por una base rígida, horizontal y perfectamente rugosa, que le sirve de sustento.

Deflexiones en el modelo de Hogg. El procedimiento con el modelo de Hogg usa la deflexión en el centro de la carga puntual y una de las deflexiones adicionales fuera del punto inicial de aplicación de la carga. Hogg demostró que la distancia radial donde la deflexión es aproximadamente la mitad de la deflexión bajo el punto inicial de carga era eficaz para eliminar la tendencia de valoración o error estadístico de los parámetros básicos del modelo. Sus cálculos consideran variaciones en el espesor del pavimento y la relación entre la rigidez del pavimento y la rigidez de la subrasante, ya que la distancia en donde la deflexión es la mitad de la desviación máxima está controlada por estos parámetros. Tal como se describe, en 1944 Hogg presentó el análisis de una losa de espesor delgado apoyada sobre una fundación elástica de espesor finito o infinito.

DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL CBR

El CBR es un ensayo para evaluar la calidad de un material de suelo con base a su resistencia, mediada a través de un ensayo de placa a escala.

CBR significa en español Relación de Soporte California, por las siglas en inglés de “California Bearing Ratio”, aunque en algunos países se conoce también este ensayo como Valor Relativo del Soporte (VRS).

La finalidad de este ensayo CBR, es determinar la capacidad de soporte de suelos y agregados compactados en laboratorio, con una humedad optima y niveles de compactación variables. El ensayo mide la resistencia al Esfuerzo Cortante (punzonamiento) de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas, permitiendo obtener un % de relación de soporte.

El ensayo CBR es el ensayo más utilizado, el cual representa la relación, en porcentaje, entre el esfuerzo requerido para penetrar un pistón a cierta profundidad dentro del suelo ensayado y el esfuerzo requerido para penetrar un pistón igual, a la misma profundidad, dentro de una muestra patrón de piedra triturada.

MATERIALES Y MÉTODOS

El trabajo de aplicación parte de una lógica que se basa en la determinación de la deflexión de la estructura del pavimento a partir de una auscultación empleando métodos no destructivos para determinar el comportamiento del sistema pavimento – subrasante, así como de establecer una posible aplicación en la rehabilitación y evaluación de pavimentos, mediante modelos matemáticos a través de los cuales es posible determinar parámetros como el Módulo Resiliente (MR) que caracteriza de mejor manera el comportamiento del pavimento.

En el transcurso de este proceso de evaluación se tomó en cuenta aspectos imprescindibles como ser la caracterización de los materiales que conforman la estructura del pavimento en este tramo y la capacidad de recuperación del pavimento ante la aplicación de cargas móviles.

Con el fin de tomar en cuenta la naturaleza cíclica de las cargas que actúan en los materiales que conforman una estructura de pavimento, así como el comportamiento no lineal y resiliente de los materiales, investigadores y diseñadores han realizado en el mundo varios trabajos experimentales, tanto en modelos a escala natural como en muestras de material probadas en el laboratorio, obteniéndose valiosa información sobre el comportamiento esfuerzo – deformación de los materiales en respuesta del suelo a las diferentes solicitaciones.

Estas deformaciones que surgen por el paso de vehículos son de recuperación instantánea, denominadas así deformaciones elásticas, sin embargo, existe una pequeña deformación permanente denominada plástica, la cual al someter la muestra bajo ciclos de carga y descarga se va acumulando; debe hacerse notar el hecho de que en ciclos intermedios la deformación permanente para cada ciclo disminuye, hasta que prácticamente desaparece en los ciclos finales. La muestra llega así a un estado tal en que toda la deformación es recuperable proporcional a la carga y puede ser considerada como elástica. Para fines de análisis se considera que el comportamiento de los materiales es fundamentalmente elástico durante cada ciclo de carga, por lo que se caracteriza como un comportamiento resiliente. De aquí se desprende el concepto de módulo de resiliencia, el cual se basa en la deformación recuperable bajo la acción repetida de cargas y está definido como la relación entre el esfuerzo desviador repetido aplicado en compresión triaxial y la correspondiente deformación axial recuperable.

La metodología actual para diseño de pavimentos utilizada por el método AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) considera al parámetro Modulo Resiliente (MR) como la base para caracterizar el comportamiento de los materiales constitutivos de la sección de una carretera tanto para materiales finos como granulares.

Por lo expuesto anteriormente el especialista a cargo del diseño, construcción y conservación de tales estructuras, debe de tener el conocimiento básico de lo que el parámetro Módulo Resiliente (MR) representa, de la prueba de laboratorio y metodologías a partir de la cuales se obtiene y de los factores que hay que considerar para la selección del valor adecuado para su uso en una determinada metodología de diseño.

Para la determinación de este parámetro el proceso de evaluación implica la obtención de una serie de datos recopilados únicamente mediante mediciones realizadas en campo y en laboratorio con muestras de suelo utilizando instrumentos no destructivos.

TÉCNICAS

Las técnicas que se emplearon para obtener la información necesaria para poder desarrollar el presente trabajo fueron las siguientes:

  • Ensayos: pruebas o técnicas experimentales que tienen una metodología de “medios” instrumento o equipo con el cual realizan los ensayos para determinar ciertas características.

Para el presente trabajo se realizaron 9 ensayos de valor soporte CBR para determinar las características de los materiales que conforman cada una de las capas del pavimento.

  • Medición: La medida que resulta de la aplicación de una acción en base a un patrón.

Se evaluauó la deflexión de la estructura del pavimento a través de la Viga Benkelman tomando 1 prueba por cada segmento.

Los segmentos en estudio se realizaron cada 50 m de los 15 kilómetros propuestos.

  • Comparación: Se efectuó una comparación entre los datos obtenidos por ambas metodologías que permitan establecer un análisis de deformación del pavimento.

RESULTADOS

Al realizar la evaluación estructural del pavimento nos basamos en el modelo matemático de HOGG SIMPLIFICADO donde se realizó el análisis de las curvas de deflexiones medidas, para este análisis de curvas se tuvo como base dos principios básicos:

a) La deflexión máxima como indicador de la capacidad de soporte del suelo de fundación.

b) El radio de curvatura que adopta el pavimento nos indica la calidad y resistencia de las capas superiores del pavimento.

DEFLEXIONES

En los resultados obtenidos se pudo verificar que la deflexión máxima no supera los 70 (0.01mm) para ninguno de los tramos en estudio encontrándose con deflexiones que no superan la deflexión admisible con la que fue diseñada la capa subrasante o suelo de fundación, dándonos a conocer que la capacidad soporte del suelo de fundación se encuentra en óptimas condiciones.

Se verifica que las deflexiones máximas determinadas superan solo en cierto porcentaje a la deflexión característica teniendo como resultados los siguientes:

  • Para el tramo 13+520 – 18+500 la Deflexión Máxima (Do) supera en un 8,01% la Deflexión Característica.
  • Para el tramo 08+520 – 13+500 Deflexión Máxima (Do) supera en un 12,67% la Deflexión Característica.
  • Para el tramo 42+230 – 47+960 Deflexión Máxima (Do) supera en un 9,46% la Deflexión Característica.

Analizando la variación que se tuvieron en las deflexiones máximas a lo largo de los 3 tramos estudiados, cuyos resultados varían entre 20 (0,01 mm) y 50 (0,01 mm) se concluye que estas diferencias se deben a la variación de la temperatura entre un tramo y otro, ya que tanto la temperatura del pavimento como la temperatura ambiente además del tránsito tienen incidencia en la determinación de las deflexiones.

RADIO DE CURVATURA

El Radio de Curvatura es una característica fundamental para determinar la magnitud de la deformación lineal por tracción que sufren las capas del pavimento al aplicar una carga puntual o móvil, por ello es de gran importancia determinar y analizar este parámetro en la evaluación estructural del pavimento.

En el caso de valores que se encuentren entre 100 m y 200 m se indica un comportamiento de suficiencia estructural, en el caso de curvas superiores a 300 m se indica un adecuado comportamiento estructural y para valores superiores a 600 m comprenden una estructura sumamente adecuada.

Los valores de Radio de Curvatura que se presentaron en ninguno de los casos es menor a 80 m, encontrándose valores entre 131 m y 579 m, con valores promedios entre 200 m y 300 m demostrando un adecuado comportamiento estructural de las capas superiores de la estructura del pavimento flexible que se encuentran sobre la subrasante.

MÓDULO RESILIENTE

El Módulo de elasticidad o Módulo de Resiliencia del suelo de fundación que participa en la deformación del sistema pavimento – subrasante, es una característica fundamental para verificar el diseño del pavimento. El mismo se lo obtuvo a través del Modelo de HOGG SIMPLIFICADO que es considerado como el instrumento teórico para la interpretación de curvas de deflexión dándonos como resultado los siguientes Módulos de Resiliencia ponderados:

FIGURA 2: Valores del módulo resiliente alcanzados método viga benkelman

Al realizar el ensayo de validación Relación de Soporte del Suelo CBR en laboratorio (ASTM D1883; AASHTO T193) se obtuvo valores de CBR de la subrasante mediante los cuales se determinaron los valores de Módulos de Resilencia para el tramo en estudio:

FIGURA 3: Valores del módulo resiliente a partir de ensayos de valor soporte CBR

El presente trabajo de investigación tiene como objetivo comparar los valores del Módulo Resiliente obtenidos por medios de ensayos de laboratorio y procedimientos de deflectometría, para tal caso, se analizarán los resultados arrojados por cada uno de los métodos previamente mencionados, tomando una media para cada carril en los 3 tramos estudiados. A continuación se muestra un resumen de los valores alcanzados.

TABLA 1: Cuadro comparativo del módulo resilente.


Pavimento.

El mismo se lo obtuvo a través del Modelo de HOGG SIMPLIFICADO que es considerado como el instrumento teórico para la interpretación de curvas de deflexión dándonos como resultado los siguientes Módulos de Resiliencia ponderados:

Con el fin de analizar la dispersión de los valores del Módulo Resiliente obtenido por ambas metodologías,

Con el fin de analizar la dispersión de los valores del Módulo Resiliente obtenido por ambas metodologías, en las siguientes figuras se compilan los resultados del Módulo Resiliente retrocalculados según los cuencos de deflexión, así como los resultados obtenidos en laboratorio para los diferentes contenidos de humedad a las cuales fueron ensayadas las probetas.

Estos resultados se muestran para cada uno de los tramos en estudio.

FIGURA 4: Comparación del módulo resiliente obtenido por ensayos de laboratorio y defflectometría (tramo 13+500 – 18+520)

FIGURA 5: Comparación del módulo resiliente obtenido por ensayos de laboratorio y defflectometría (tramo 08+500 – 13+520)

FIGURA 6: Comparación del módulo resiliente obtenido por ensayos de laboratorio y defflectometría (tramo 42+210 – 47+980)

En principio se observa que los valores de Módulo Resiliente retrocalculados por deflectometría difieren en sus resultados para cuencos de deflexión medidos en horas de la mañana o de la tarde; lo que expresa cierta dependencia entre éstos y la temperatura ambiente a la que fueron realizadas las pruebas de deflectometría.

Estableciendo una correspondencia de los valores obtenidos tanto por deflectometría y laboratorio, se denota una variación entre una y otra metodología. Estas diferencias de módulo oscilan en un rango de 0,02 a 5.89%, siendo en su mayoría los valores obtenidos por deflectometría menores a comparación de los obtenidos en laboratorio.

Esto debido a que por una parte, los resultados de laboratorio representan una medida directa en las propiedades del material de subrasante a comparación de mediciones indirectas del Módulo ofrecidas a partir de datos de deflectometría, ensayo que se ve influenciado directamente por las condiciones ambientales como ser temperatura y estacionalidad y por condiciones del tráfico entre otros.

DISCUSIÓN

Evaluando conceptos teóricos en los que se basan ambas metodologías de evaluación estructural del pavimento como son el análisis de deflectometría y ensayos de valor soporte CBR, se establecen en términos generales que el Modulo Resiliente (Mr) de una subrasante, obtenido por medio del cuenco de deflexión presentan una variación con respecto al Módulo Resiliente de laboratorio, esto se debe a que la deflexión permite ser correlacionada con la capacidad estructural de un pavimento, de manera que si la deflexión es alta en un modelo estructural, la capacidad estructural del pavimento es débil o deficiente, y lo contrario ocurre si la deflexión es baja quiere decir que el modelo estructural de un pavimento tiene una buena capacidad estructural.

Como equipo para la medición de deflexiones en campo, se aplica la viga Benkelman la cual genera un cuenco de deflexión; la caracterización del cuenco de deflexión determina una serie de parámetros, los cuales son corregidos por factores ambientales como temperatura y estacionalidad para la determinación del Módulo Resiliente de la estructura de un pavimento. En cambio el método AASTHO es un método simplificado para estimar el Modulo Resiliente a través de diferentes fórmulas empíricas de correlación.

Con el ensayo de deflectometría a través del modelo matemático de HOGG SIMPLIFICADO, se obtuvo un valor del Módulo Resiliente ponderado para los 3 tramos en estudio de 1143,702 Kg/cm² >> 900 kg/cm² valor que nos indica se trata de una subrasante buena, encontrándose en óptimas condiciones ya que todas las deformaciones que se presentan son recuperables en el tiempo.

Se establece la validación de estos resultados por deflectometría ya que se encuentran próximos a los valores determinados en función a datos de deflexiones medidos por la ABC para una evaluación del estado del pavimento del tramo San Lorencito – San Lorenzo.

Se realizó la caracterización de suelos y ensayos de Valor Soporte CBR para cada una de las capas que conforman el pavimento. El material utilizado para el desarrollo de los ensayos se extrajo de bancos.

De estos laboratorios se comprobó para cada capa los valores de CBR estimados en las Especificaciones Técnicas del Proyecto, dando como resultado para la capa base un CBR al 100% igual a 94,53; para la capa Subbase un CBR al 97% igual a 52,50 y para la Subrasante un CBR al 95% igual a 22,93.

Con el valor de CBR del suelo de subrasante se obtuvo un valor del Módulo Resiliente ponderado para todo el tramo igual a 1333,123 Kg/cm².

De acuerdo a los valores obtenidos por ambas metodologías se establece que el comportamiento de la subrasante se encuentra en óptimas condiciones ya que se cumplieron las especificaciones técnicas de deflectometría, el Coeficiente de Variación de los valores de Deflexión Máxima no deberá ser mayor de 30% (varía entre 8,576 % al 14,478 %), el Módulo Resiliente promedio deberá ser mayor o igual a 900 Kg/cm² (se encuentra entre 1132,34 Kg/cm² a 1173,6 Kg/cm²).

Se ha observado que el Módulo Resiliente no es una propiedad constante sino que depende de muchos factores: compactación, presión de inflado, carga por eje, velocidad, nivel de tránsito diario como también de los materiales que constituyen las capas del pavimento y las condiciones ambientales.

Al realizar una comparación entre los Módulos obtenidos por ensayos de valor soporte CBR y los medidos por deflectometría, se analiza una variación entre resultados que oscilan entre el 0,02 a 5.89%, Se concluye que una de las posibles causas para que los resultados obtenidos en laboratorio arrojen valores más bajos, se debe a que para el ensayo de valor soporte CBR se aplican cargas estáticas. La deflexión en las carreteras viene dada a consecuencia de la aplicación cíclica y contante de cargas provenientes de los vehículos que circulan en ella, y esto no se refleja igual en laboratorio. Por el contrario, en el ensayo de deflectometría los resultados son más cercanos a la realidad debido a que se las realiza en campo y con una carga original transitando por la estructura del pavimento, aunque se deben tener muy en cuenta los diferentes factores por los que se ve afectado este método.

BIBLIOGRAFÍA

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Ing. Pablo Del Aguila, Camineros S.A.C. – Peru, Consultores En Gestión de Infraestructura. Especificaciones Para Control Deflectometrico En Obras De Pavimentación

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