Material de Estudio - Capitulo 05 - Medios de Fibra �ptica.pdf
Capitulo 1. Características fundamentales del material ...
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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
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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
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cion
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de
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s
Pel
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Cla
rific
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o
Est
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ón d
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Det
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ua
BEN
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n
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Sel
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Cla
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Est
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OTR
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Det
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Pint
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in
geni
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Cem
enta
ción
de
fisur
as e
n ro
ca
Des
alin
izad
or d
e ag
ua
Figura 1.3- Usos de la bentonita.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).