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Volumen 36 No 3 Septiembre 2015
Volumen 36 No 3 Septiembre 2015
La Revista Politécnica es una publicación semestral de la Escuela Politécnica Nacional
que pone al alcance de los sectores académico y productivo los desarrollos científicos y
tecnológicos en las áreas de las ingenierías y ciencias.
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COMITÉ DE APOYO EDITORIAL
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Sr. Luis Estrada Srta. Sandra Rojas Sr. Daniel Cabrera
REVISTA POLITÉCNICA
Volumen 36, Número 3
Septiembre 2015
CONSEJO EDITORIAL ESCUELA POLITÉCNICA
NACIONAL
Rector
Jaime Calderón, MBA
Vicerrector de Investigación y
Proyección Social
Alberto Celi, Ph.D.
Vicerrector de Docencia
Tarquino Sánchez, MBA
Director de Investigación y
Proyección Social
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Editor
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Co Editora
Florinella Muñoz, Ph.D.
Enio Da Silveira, Ph.D.
Universidad Católica de Río, Brasil.
Carlos Smith, Ph.D.
University of South Florida, Estados Unidos
Gyimah-Brempong Kwabena, Ph.D.
University of South Florida, Estados Unidos
Raymundo Forradelas, Ph.D. Universidad Nacional del Cuyo, Argentina
Ricardo Carelli, Ph.D.
Universidad Nacional de San Juan, Argentina.
Vanderlei Bagnato, Ph.D.
Universidad de Sao Paulo, Brasil.
Rui Pedro Pinto de Carvalho, Ph.D.
University of Coimbra, Portugal.
Oscar Ortiz, Ph.D.
Universidad Nacional de San Juan, Argentina
Gustavo Scaglia, Ph.D.
Universidad Nacional de San Juan, Argentina
Andrés Rosales, Ph.D.
Investigador
Escuela Politécnica Nacional
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Prometeo
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Ernesto Jiménez, Ph.D.
Prometeo
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Chen Ning, Ph.D.
Universidad de Mineralogía y
Tecnología de China, China.
Alex Ruiz Torres, Ph.D.
Universidad de Puerto Rico, Puerto
Rico.
Lizandro Solano, Ph.D.
Universidad de Cuenca, Ecuador
Romel Montufar, Ph.D.
Pontificia Universidad Católica, Ecuador
Marcos Villacís, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Andrés Rosales, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Danilo Chávez, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Oscar Camacho, Ph.D.
Universidad de Los Andes, Venezuela
Vicenzo Vespri, Ph.D.
Università degli studi di Firenze, Italia
Carlos Ávila, Ph.D.
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Luis Rodríguez, Ph.D.
Prometeo
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Rafael Uribe, Ph.D.
Prometeo
Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Jose Aguilar, Ph.D.
Prometeo
Universidad Técnica Particular de Loja, Ecuador
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
Campus "José Rubén Orellana" Ladrón de Guevara E11 - 253
Quito - Ecuador
COMITÉ EDITORIAL
CONTENIDO
1
Campaña O.; Galeas S.; Guerrero V.H.
Obtención de Asfalto Modificado con Polvo de Caucho Proveniente del
Reciclaje de Neumáticos de Automotores
7
Mosquera E.; Rosas N.; Debut A.; Guerrero V.H.
Síntesis y Caracterización de Nanopartículas de Dióxido de Titanio
Obtenidas por el Método de Sol-Gel
14
Grimán S.; Lascano L.; Rosas N.; Uribe R.
Influencia de las Variables de Procesamiento Tecnológico Industrial en la
Aparición del Defecto de Eflorescencia en Piezas de Arcilla Cocida
24
Asimbaya C.; Rosas N.; Endara D.; Guerrero V.H.
Obtención de Carbón Activado a partir de Residuos Lignocelulósicos de
Canelo, Laurel y Eucalipto
30
Loza Matovelle D.; Dabirian R.
Introducción a la Tecnología Disruptiva y su Implementación en Equipos
Científicos
34
Uribe R.
Investigaciones de Materias Primas Minerales No Metálicas en el Ecuador
45
Piovan M.; Olmedo F.
Propagación de Incertidumbre en los Patrones de Vibración de Vigas
Rotantes
51
Loza Matovelle D.; Torres M.; Ruilova M.; Albán L.; Velasco R.; Segura L.J.;
Dabirian R.
Diseño y Construcción del Prototipo de Código Abierto de una Incubadora
con Agitación Orbital
57
Morales J.V
Modelos de Gobierno TI para Instituciones de Educación Superior
63
Martínez S.; Lamoth L.; Moreno R.; Jacho N.
Análisis de la Transformación de Modelo CIM a PIM en el Marco de
Desarrollo de la Arquitectura Dirigida por Modelos (MDA)
69
López G.; Richardson N.; Carvajal J.
Methodology for Data Loss Prevention Technology Evaluation for Protecting
Sensitive Information
79
Morocho E.; Zambrano A.; Carvajal J.; López G.
Análisis del Algoritmo Esteganográfico F5 para Imágenes JPEG a Color
86
Benavides G.; Luna G.; Montenegro L.
Efecto de la Sustitución de Agregado Fino por Ceniza Proveniente del
Proceso de Incineración en Bruto de Residuos Sólidos Industriales en la
Elaboración de Hormigón de Baja Resistencia
95
Bongiorno F.; Angulo N.; Belandria N.
Evaluación del Riesgo en Desprendimiento y Caracterización Geomecánica
de los Taludes Rocosos en el Sector Quebrada del Diablo, Estado Mérida
Obtención de Asfalto Modificado con Polvo de Caucho Proveniente del Reciclaje de Neumáticos de Automotores
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
1. INTRODUCCIÓN
El uso de polvo de caucho en mezclas asfálticas ha sido
acogido en Estados Unidos al menos desde inicios de los
sesenta por el Departamento de Transporte de Arizona.
Desde entonces este tipo de material ha sido adoptado
alrededor del mundo [7]. Los beneficios del asfalto
modificado con polvo de caucho se evidencian en la mejora
de las propiedades de durabilidad ya que previene el
agrietamiento del cemento asfáltico, mejora la adherencia en
superficies mojadas para disminuir su incidencia en
accidentes de tránsito y ayuda a reducir el ruido que se
transmite a través del pavimento. Además, se puede citar el
beneficio ambiental que representa el tener una aplicación
para el caucho triturado de los neumáticos que han sido
desechados al final de su vida útil. Los dos métodos
estudiados en este trabajo para la incorporación de polvo de
caucho en el cemento asfáltico son el proceso por vía seca y
proceso por vía húmeda. En el proceso seco, el polvo de
caucho es incorporado al agregado pétreo como una porción
Obtención de Asfalto Modificado con Polvo de Caucho Proveniente
del Reciclaje de Neumáticos de Automotores
Campaña O.*; Galeas S.*; Guerrero V.*
*Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Mecánica, Quito, Ecuador
e-mail: {kleber.campana; salome.galeas; victor.guerrero}@epn.edu.ec
Resumen: Las mezclas asfálticas modificadas con polvo de caucho se utilizan para obtener pavimentos cuyas
propiedades de durabilidad aumentan los tiempos entre mantenimientos y reducen su costo total. En este trabajo se
describen los procesos seco y húmedo empleados para obtener asfalto modificado con polvo de caucho proveniente
del reciclaje de neumáticos de uso automotriz. También se presentan las propiedades Marshall y de desempeño que
evidencian los beneficios del este tipo de asfalto. Para la mezcla asfalto-polvo de caucho por el proceso húmedo se
obtuvieron tres mezclas con 10, 15 y 20 wt % de polvo de caucho en relación al bitumen. Para la mezcla seca se
añadió 1, 2 y 3 wt % de polvo de caucho en relación al agregado asfáltico. Para evaluar las mezclas asfálticas
producidas se efectuaron las pruebas de gravedad específica máxima teórica, densidad de mezclas asfálticas
(método RICE), densidad bulk (peso unitario) y porcentaje de vacíos de los agregados compactados o sueltos. Para
evaluar el desempeño de las mezclas se obtuvo el módulo de rigidez, la resistencia a la fatiga y la deformación
dinámica. De los resultados obtenidos se puede observar que existen mejores propiedades de resistencia a la fatiga
en el asfalto modificado por proceso húmedo con 20 wt % de polvo de caucho con relación al bitumen, mientras
que el mayor módulo de rigidez y deformación dinámica se obtuvo para asfalto modificado por proceso húmedo
con 10 wt % de polvo de caucho. Los resultados obtenidos son un punto de partida para posteriores investigaciones
sobre los beneficios del asfalto modificado con polvo de caucho y su aplicabilidad en Ecuador.
Palabras clave: Bitumen, propiedades Marshall, densidad bulk, asfalto modificado, método RICE, polvo de
caucho.
Abstract: Asphalt mixtures modified with crumb rubber are used to obtain pavements with durability properties
that increase the time between maintenance and reduce their cost. This article describes the dry and wet processes
used for preparation of asphalt modified with crumb rubber obtained from recycled car tires. The durability and
Marshall properties are also presented, and demonstrate the benefits of these mixtures. Three crumb rubber-asphalt
mixtures were prepared using 10, 15 and 20 wt % of rubber powder compared to bitumen. For the dry process
asphalt mixtures, 1, 2 and 3 wt % of crumb rubber compared to the asphaltic aggregate were used. Theoretical
maximum specific gravity, density of asphalt mixtures (RICE method), bulk density (unit weight), and percentage
of voids of the compacted or loose aggregates tests were developed in order to evaluate the asphalt mixtures. The
durability tests performed were those used to determine the stiffness modulus, fatigue resistance and dynamic creep.
From the results, it is noticeable that there are better properties of fatigue resistance in the wet process modified
asphalt with 20 wt % of crumb rubber compared to bitumen, while the higher modulus and dynamic creep was
obtained for the wet process modified asphalt with 10 wt % of crumb rubber. The results are a starting point for
further research on the benefits of modified asphalt with rubber powder and its applicability in Ecuador.
Keywords: Bitumen, Marshall properties, bulk density, modified asphalt, RICE method, crumb rubber.
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Campaña O.*; Galeas S.*; Guerrero V.*
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
de agregado fino antes de mezclarse con el asfalto. En el
proceso húmedo, el polvo de caucho se adiciona al ligante; es
decir, al asfalto caliente cuando su viscosidad es
relativamente baja y permite la mezcla [12].
Las propiedades del asfalto modificado con polvo de caucho
son muy sensibles al proceso de mezcla, que depende de
factores externos como temperatura de la mezcla, tiempo y
velocidad de agitación, y factores internos como cantidad y
tamaño de partícula del polvo caucho, tipo de asfalto, tipo y
pureza del polvo de caucho [13]. Un aspecto de relevante
importancia en la mezcla húmeda es el mecanismo de
agitación, que debe ser de alto cizallamiento con el fin de
lograr la digestión total del polvo de caucho en el bitumen,
evitando la turbulencia y la separación de las fases del asfalto
modificado [8].
2. MATERIALES Y MÉTODOS
Para llevar a cabo este trabajo se emplearon polvo de caucho,
asfalto y agregados pétreos. Estos materiales se usaron para
obtener mezclas asfálticas modificadas con caucho mediante
los procesos seco y húmedo.
2.1. Materiales
El polvo de caucho usado en el estudio fue proporcionado por
una empresa dedicada al reciclaje de neumáticos
automotrices en la ciudad de Quito. El polvo de caucho
empleado para mejorar las propiedades del cemento asfáltico
debe cumplir ciertas especificaciones que se encuentran
establecidas en la norma NTE INEN 2680:2013 [10]. La
norma establece los siguientes puntos:
- El caucho reciclado debe contener menos del 0.75 % de
humedad en peso y libre de flujo. La gravedad específica de
este caucho debe ser de 1.15 ± 0.05.
- El caucho reciclado no debe contener partículas visibles de
metales no ferrosos y no más de 0.01 % en peso de partículas
de metales ferrosos.
- Se recomienda que todas las partículas de caucho tengan un
tamaño capaz de pasar por el tamiz de 2.36 mm (No. 8)
Además, es necesario evaluar la degradación del polvo de
caucho a la temperatura de ensayo (175 °C) [10].
La humedad de la muestra de caucho se determinó mediante
una termobalanza OHAUS modelo MB45 con resolución de
0.01 %. La cantidad de material ferroso presente en el polvo
de caucho se determinó pesando una muestra con y sin
partículas metálicas presentes. Estas partículas metálicas se
removieron con ayuda de un electroimán construido para el
efecto. Las masas se midieron empleando una balanza
analítica con resolución de 0.1 mg marca SHIMADZU. Para
determinar la degradación por temperatura del caucho se
empleó un analizador termogravimétrico (TGA) marca TA
Instruments modelo Q500. Para la gravedad específica se
determinó la densidad de la muestra de caucho mediante el
método hidrostático.
En la Tabla 1 se muestran los resultados del análisis del
polvo de caucho empleado para la mezcla. En la Fig. 1 se
presenta la curva de pérdida de masa de una muestra de polvo
de caucho de neumáticos automotrices reciclados, obtenida
usando el analizador termogravimétrico TGA.
Tabla 1. Resultados del análisis del polvo de caucho usado en la obtención
de mezclas asfálticas modificadas mediante los procesos seco y húmedo
Humedad
en el polvo
de caucho
Gravedad
específica
Caucho
tamizado
Tamiz No. 8
(2.36 mm)
Contenido
de material
ferroso
(%) (%) (%)
0.41 1.17 100 0.011
En la Fig. 1 se puede apreciar que la pérdida de masa del
polvo de caucho a una temperatura de 175 °C es de alrededor
de 0.7 %. Esto permite afirmar que el polvo de caucho se
puede incorporar al asfalto sin que exista una significativa
degradación térmica.
Figura 1. Degradación del polvo de caucho obtenida mediante TGA
Respecto al asfalto, éste debe cumplir con los requerimientos
de la norma NTE INEN 2515:2010[9]. El asfalto de
clasificación AC-20 así como los agregados pétreos para el
proceso seco fueron proporcionados por el Ministerio de
Transporte y Obras Públicas del Ecuador (MTOP) y
cumplían con los requerimientos de la norma citada. Los
análisis fueron realizados por la empresa CONSERMIN S.A.
y los resultados fueron aceptados por el Laboratorio de
Suelos y Materiales del MTOP-Quito.
2.2 Métodos
2.2.1 Mezclas de asfalto-caucho por proceso seco
En el proceso seco el caucho reciclado es mezclado con los
agregados pétreos antes de adicionar el cemento asfáltico.
Los granos de caucho se consideran como un árido más, o
como sustituto de una pequeña parte del agregado fino.
Mediante este proceso, el caucho pasa de ser un árido elástico
a ser un modificador del ligante en la mezcla asfáltica. A este
proceso de interacción se le llama digestión del caucho [6].
Para obtener la mezcla con asfalto-caucho por el proceso
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Obtención de Asfalto Modificado con Polvo de Caucho Proveniente del Reciclaje de Neumáticos de Automotores
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
seco se sigue el procedimiento establecido por Segobia [12].
Así:
-Se prepara la granulometría de los agregados pétreos, para lo
que se emplea gravilla de 3/8 de pulgada (74 %) y 3/4 de
pulgada (26 %) del total de agregado pétreo.
- Se calientan los agregados en un horno a temperatura entre
170 y 210 º C.
- Se establece que las proporciones de caucho a utilizar serán
de 1, 2 y 3 wt %, en relación al peso de los áridos.
- Se mezclan los agregados calientes con la cantidad de
caucho correspondiente, y se los coloca en el horno entre 150
y 190 °C por aproximadamente 5 minutos para que el caucho
aumente su temperatura.
- Se adiciona el asfalto, previamente calentado a la
temperatura de mezclado, a la mezcla de agregados con
caucho y se mezcla durante 2 a 3 minutos.
- Se coloca la mezcla asfáltica durante un periodo de
digestión. Al finalizar la digestión se retira la mezcla del
horno y se remueve el material.
- Se compacta la mezcla caliente en moldes Marshall
precalentados para obtener las briquetas a ensayar. La
compactación se lleva a cabo a una temperatura 10 °C más
baja que la de digestión, con 75 golpes del martillo Marshall,
por ambos lados de la probeta.
- Se deja reposar por 24 horas antes de extraer la probeta del
molde. La probeta se remueve a temperatura ambiente.
En este trabajo se obtuvieron mezclas con un porcentaje de
adición de caucho de 1, 2 y 3 wt % en relación al peso del
agregado. El porcentaje de asfalto en las mezclas es de 6.1 wt
% respecto del agregado más el caucho añadido. Este
porcentaje de asfalto en las mezclas se tomó como referencia
y corresponde a la cantidad de asfalto usada en un pavimento
empleado por una contratista local en un proyecto vial
desarrollado recientemente en Ecuador. La temperatura de
digestión se fijó en 170 °C y el tiempo de digestión en 2
horas, de acuerdo con lo recomendado en la bibliografía. En
la Tabla 2 se presenta las cantidades de material usadas en las
mezclas. Para obtener las mezclas se partió de 4500 g de
agregados. Esta masa se definió considerando la cantidad de
probetas que se debían preparar.
Tabla 2. Cantidades de agregados, asfalto y caucho utilizadas para preparar
tres muestras para el proceso seco
Mezcla
Muestra A Muestra B Muestra C
Masa de agregados (g) 4500 4500 4500
Porcentaje de
caucho (%)
1 2 3
Masa de caucho (g) 45 90 135
Porcentaje de asfalto (%) 6.1
Masa de asfalto (g) 277.25 280 282.73
En la Fig. 2 se puede observar la preparación del material por
el proceso seco. Las briquetas de ensayo fueron fabricadas en
el Laboratorio de Suelos y Materiales del MTOP-Quito.
Figura 2. Proceso seco de mezcla asfalto-polvo de caucho
2.2.2 Mezclas de asfalto-caucho por proceso húmedo
En el proceso húmedo, el asfalto es pre-mezclado con el
caucho a una temperatura elevada (175-210 °C) y se mezcla
en condiciones específicas [8]. Para la mezcla del polvo de
caucho y asfalto se requiere un mecanismo de agitación de
alto corte con una velocidad de alrededor 2000 r.p.m. y el
tiempo de mezcla es alrededor de 4 horas [11]. Esta mezcla
se efectuó en condiciones de laboratorio empleando un
agitador de paletas Heidolph RZR2021 con 40-2000 (min-1
)
de velocidad.
Figura 3. Proceso húmedo de mezcla asfalto-polvo de caucho
Mediante una plancha de calentamiento Thermo Scientific
Climarec se mantuvo la mezcla asfáltica a 175 ºC agitándose
dentro de un recipiente térmicamente aislado y monitorizado
mediante un sensor con termocupla tipo K. En la Fig. 3 se
observa el equipo empleado para mezclar polvo de caucho y
asfalto.
Inicialmente se obtuvieron tres composiciones de la mezcla,
para observar su homogeneidad y detectar dificultades en el
proceso, como humeo y generación de espuma. En la Tabla 3
se presentan las composiciones porcentuales y en peso de
polvo de caucho mezcladas con el asfalto. En la Tabla 4 se
muestran los resultados de la evaluación cualitativa de estas
mezclas.
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Campaña O.*; Galeas S.*; Guerrero V.*
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Tabla 3. Cantidades de asfalto y polvo de caucho usadas para evaluar
cualitativamente el proceso de mezclado
Muestra Asfalto Polvo de caucho
(g) (g) (%) de mezcla
A 92.57 0.93 1
B 129.54 12.95 10
C 182.83 36.56 20
Tabla 4. Evaluación cualitativa del proceso de mezcla asfalto-polvo de
caucho
Muestra Humeo Espuma Mezcla
A No se evidencia No se evidencia Homogénea
B No se evidencia No se evidencia Homogénea
C No se evidencia No se evidencia Homogénea
Una vez transcurridos 7 días luego de efectuar las pruebas de
incorporación de polvo de caucho a muestras de asfalto, no se
observan cambios físicos en el asfalto modificado. Las
muestras son estables. En la Fig. 4 se pueden observar las
muestras de las mezclas obtenidas después de 7 días, sin que
se presente alguna anomalía apreciable.
Figura 4. Muestras de mezcla asfalto-polvo de caucho estables después de 7
días desde su procesamiento.
Tomando como base los resultados de los ensayos
cualitativos, se siguió el procedimiento para obtener tres
mezclas húmedas de asfalto-polvo de caucho (10, 15 y 20 wt
% de polvo de caucho en relación al peso del asfalto). Estas
muestras fueron combinadas con los agregados pétreos en el
laboratorio del MTOP-Quito y se elaboraron briquetas
siguiendo un procedimiento similar al empleado en el
proceso seco de mezcla citado anteriormente. Se llegaron a
obtener tres briquetas de ensayo para cada composición de
mezcla húmeda utilizando aproximadamente 300 g de asfalto
modificado con caucho. En la Tabla 5 se presentan las
composiciones de las mezclas asfálticas modificadas con
polvo de caucho.
Tabla 5. Cantidades de asfalto y caucho utilizadas para preparar tres
muestras mediante el proceso húmedo
Mezcla Muestra A Muestra B Muestra C
Masa de asfalto (g) 303.2 300.7 301.1
Porcentaje de polvo
de caucho (%) 10 15 20
Masa de caucho (g) 30 45 60
Para comparar el desempeño de las mezclas asfálticas
modificadas con el del asfalto sin modificar se consideró
como referencia un pavimento empleado recientemente en un
proyecto vial en Ecuador. Para este material se empleó un 6,1
wt % de asfalto como ideal para la mezcla con los agregados
pétreos.
2.3. Ensayos para determinar las propiedades Marshall
2.3.1 Gravedad específica máxima teórica y densidad de
mezclas asfálticas (método RICE)
La gravedad específica teórica máxima y la densidad de
mezclas asfálticas son propiedades importantes, cuyos
valores dependen de la composición de la mezcla en términos
del tipo y cantidad de agregados y de los materiales
asfálticos. Estos valores son usados para calcular el
porcentaje de vacíos en una mezcla de pavimento asfáltico en
caliente compactada que sirve para calcular la cantidad de
asfalto absorbido por los poros internos del agregado en una
mezcla asfáltica en caliente. Estos valores son importantes
para el proceso de compactación de mezclas asfálticas para
pavimentos. El procedimiento para determinar la gravedad
específica máxima y la densidad de las mezclas asfálticas
(método RICE) se encuentra descrito en la norma ASTM
D2041-11 [2].
2.3.2 Densidad bulk (peso unitario) y porcentaje de vacíos de
los agregados compactados o sueltos
La densidad bulk es la relación entre la masa de un volumen
unitario total de un agregado, el cual incluye el volumen de
las partículas individuales y el volumen de vacíos entre las
partículas. Este ensayo cuyo procedimiento se encuentra
descrito en la norma ASTM D1188-07 [1] sirve para
determinar valores de densidad bulk, que son utilizados en
muchos métodos de selección de proporciones para mezclas
de agregados.
2.4 Ensayos de desempeño
2.4.1Módulo de rigidez
La rigidez de las mezclas de asfalto-agregado es de suma
importancia en la determinación de la calidad de un
pavimento y es esencial para el análisis de la respuesta del
pavimento ante la carga de tráfico. El ensayo se hace bajo los
parámetros de la norma ASTM D6648-08 [13].
2.4.2. Resistencia a fatiga
Las propiedades a fatiga de la mezcla asfáltica son
importantes debido a que uno de los modos de falla es la
fisuración por fatiga. Las pruebas de flexión (a 2,3 y 4
puntos) seutilizan para caracterizar la fatiga de las mezclas
asfálticas. Estas pruebas consisten en someter una viga de
mezcla asfáltica a flexión repetida hasta la falla. De dichas
pruebas se obtienen las leyes de fatiga y módulos de rigidez a
fatiga.El ensayo se hace bajo los parámetros de la norma
ASTM D7460-10 [5].
2.4.3 Deformación dinámica
El ensayo de deformación dinámica es desarrollado para
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Obtención de Asfalto Modificado con Polvo de Caucho Proveniente del Reciclaje de Neumáticos de Automotores
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estimar el potencial ahuellamiento de las mezclas asfálticas,
definiéndose como ahuellamiento a la depresión canalizada
en la huella de circulación de los vehículos. Esta prueba se
realiza de acuerdo con los procedimientos descritos en la
norma ASTM D7405-10a [4].
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Resultados de los ensayos para determinar las
propiedades por el método Marshall.
En las Tablas 6 y 7 se pueden apreciar los resultados de las
pruebas para determinar las propiedades Marshall de las
mezclas asfálticas con polvo de caucho obtenidas por el
proceso seco y húmedo respectivamente. En la Tabla 8 se
pueden observar los resultados de las pruebas hechas en el
asfalto sin modificar.
Tabla 6. Densidade bulk y gravedad específica RICE para el material
utilizado en la fabricación de briquetas con asfalto modificado por el proceso
de mezcla seca. (Fuente: Laboratorio de Suelos y Materiales del MTOP-
Quito)
Polvo
de
caucho
Peso
aire
Peso
agua
Peso
saturado
superf.
seco
Dens.
bulk
Gravedad
esp.
(RICE)
Estab.
correg. Flujo
(%) (g) (g) (g) (g/cm3) (g/cm3) (lb.)
1 1092 588 1093 2162
2377
3611 17
1 977 521 978 2138 3500 12
1 926 487 927 2105 2368 12
2 1140 608 1142 2135
2334
3483 18
2 1160 625 1161 2164 4210 13
2 1062 566 1064 2132 3220 15
3 1163 615 1165 2115
2329
2361 17
3 1114 586 1118 2094 2445 14
3 1074 562 1078 2081 2530 13
Tabla 7.Densidade bulk y gravedad específica RICE para el material
utilizado en la fabricación de briquetas con asfalto modificado por el proceso
de mezcla húmeda. (Fuente: Laboratorio de Suelos y Materiales del MTOP-
Quito)
Polvo
de
caucho
Peso
aire
Peso
agua
Peso
saturado
superf.
seco
Dens.
bulk
Gravedad
específica
(RICE)
Estab.
correg. Flujo
(%) (g) (g) (g) (g/cm3) (g/cm3) (lb.)
10 1254 703 1268 2219
2354
5981 18
10 1129 626 1137 2209 6885 18
10 1154 638 1162 2202 6358 16
15 1289 715 1299 2207
2383
5310 15
15 1038 576 1049 2195 5458 17
15 1094 600 1103 2175 5060 14
20 1137 625 1144 2191
2375
4995 12
20 1141 625 1152 2165 4127 13
20 1060 582 1075 2130 4232 12
Tabla 8. Densidade bulk y gravedad específica RICE para la mezcla
asfáltica sin modificar, con 6.1 wt % de asfalto (Fuente: CONSERMIN S.A.)
Peso
aire
Peso
agua
Peso
saturado
superf.
seco
Densidad
bulk
Gravedad
específica
(RICE)
Estab.
correg. Flujo
(g) (g) (g) (g/cm3) (g/cm3) (lb.)
1245 694 500 2311 2409 3123 12
Comparando los resultados se tiene que el valor de densidad
bulk que más se aproxima al valor de la mezcla sin modificar
corresponde al asfalto modificado por proceso húmedo con
10 % de polvo de caucho mezclado en asfalto y difiere en un
4.37 %. En cuanto al valor de la gravedad específica (método
RICE) se tiene que el valor que más se aproxima al valor de
la mezcla sin modificar corresponde al asfalto modificado por
proceso húmedo con 15 % de polvo de caucho mezclado en
asfalto y difiere en un 1.08 %.
De los resultados anteriores se puede concluir que los asfaltos
modificados obtenidos tienen valores menores de densidad
bulk y gravedad específica (método RICE) con respecto a los
valores proporcionados por una empresa contratista local
para la mezcla asfáltica sin modificar usada como referencia.
La estabilidad y el flujo son significativamente superiores en
las mezclas asfálticas modificadas mediante el proceso
húmedo, especialmente cuando se emplean 10 y 15 wt % de
polvo de caucho.
3.2 Resultados de los ensayos de desempeño para las mezclas
asfálticas modificadas con polvo de caucho
Los ensayos de desempeño fueron realizados por el
Laboratorio de Carreteras de la Universidad Católica de
Santiago de Guayaquil. En la Tabla 9 se presentan los
resultados de los ensayos de desempeño realizados. Estos
ensayos permitieron determinar el módulo de rigidez a 20 °C,
tanto a deformación constante como a esfuerzo constante, las
repeticiones en el caso de fatiga a esfuerzo constante y la
deformación dinámica a 40 °C. En el caso de mezclas
obtenidas mediante el proceso seco se observó que cuando la
cantidad de polvo de caucho añadida era de 2 y 3 wt %, el
módulo de rigidez a deformación constante se redujo
sustancialmente, al punto que no pudo ser registrado. Esta
baja rigidez que impedía el uso práctico de estos materiales
hizo que no se continúe con los demás ensayos.
Analizando los resultados obtenidos de las pruebas de
desempeño se puede decir que se obtienen mejores
propiedades con las mezclas realizadas por el proceso
húmedo. Esto se puede deber a que se tiene mayor
homogeneidad en las fases permitiendo la coalescencia entre
el polvo de caucho y el asfalto de mejor manera que en el
proceso seco.
El contenido de caucho con el cual se obtuvieron los mejores
resultados de resistencia a la fatiga, módulo de rigidez y
deformación dinámica es para la mezcla húmeda con el 20 wt
5
Campaña O.*; Galeas S.*; Guerrero V.*
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
% de polvo de caucho añadido. Por otro lado, la adición de
polvo de caucho en las mezclas asfálticas disminuye la
deformación dinámica. Esto mejora las propiedades de la
mezcla para contrarrestar el defecto de depresión o
ahuellamiento.
Tabla 9. Resultados de los ensayos de desempeño realizados en las briquetas
de cemento asfáltico modificado con polvo de caucho mediante el proceso
seco y húmedo. (Fuente: Laboratorio de Carreteras de la Universidad
Católica de Santiago de Guayaquil).
MEZCLA SECA
Polvo
de
caucho
Módulo rigidez
a deformación
constante
Módulo
rigidez a
esfuerzo
constante
de 500 kPa
Resistencia a
la fatiga a
esfuerzo
constante de
500 kPa
Deformación
dinámica a
40 °C
(%) (MPa) (MPa) (MPa) (%)
1 1115
- - - 1 1039
1 969
2
Fuera de rango
de medición - - - 2
2
3
Fuera de rango
de medición - - - 3
3
MEZCLA HÚMEDA
Polvo
de
caucho
Módulo rigidez
a deformación
constante
Módulo
rigidez a
esfuerzo
constante
de 500 kPa
Resistencia a
la fatiga a
esfuerzo
constante de
500 kPa
Deformación
dinámica a
40 °C
(%) (MPa) (MPa) (MPa) (%)
10 6314
5355 1771 0.65 10 7794
10 7143
15 5644
4359 1254 0.35 15 5328
15 6211
20 6672
5072 2409 0.24 20 6982
20 7078
4. CONCLUSIONES
La gravedad específica y la densidad de las mezclas asfálticas
obtenidas tanto mediante el proceso seco como el húmedo
son ligeramente inferiores a las del asfalto sin modificar. Esto
está asociado con mayores volúmenes vacíos en el asfalto
modificado y mayor permeabilidad en las mezclas
modificadas.
En el proceso seco de adición de polvo de caucho en la
mezcla asfáltica se evidencia experimentalmente que el
tiempo de digestión debe ser de al menos 2 horas. Esto
permitiría que el caucho interactúe con el ligante,
modificando la reología del asfalto original.
El módulo de rigidez en función de la temperatura y la
velocidad de aplicación de la carga es una relación entre la
tensión aplicada y la deformación resultante. En las mezclas
asfálticas modificadas con polvo de caucho el valor del
módulo es mayor. Esto se traduciría en menores espesores del
pavimento asfáltico y conlleva a un ahorro por concepto de
volumen de material en el diseño de una obra vial.
Los resultados obtenidos en este trabajo permiten afirmar que
la modificación de asfalto ecuatoriano usando polvo de
caucho proveniente de neumáticos reciclados representa una
valiosa oportunidad para obtener pavimentos con mejores
propiedades que los tradicionales. Estos pavimentos podrían
tener mayor duración y menores costos de mantenimiento.
REFERENCIAS
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bituminous mixtures using coated samples, ASTM D1188-07, 2007.
[2] Standard test method for theoretical maximum specific gravity and
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2011.
[3] Standard test method for determining the flexural creep stiffness of
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D6648-08, 2008.
[4] Standard Test Method for Multiple Stress Creep and Recovery
(MSCR) of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer, ASTM
D7405-10a; 2010.
[5] Standard test method for determining fatigue failure of compacted
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10, 2010.
[6] M. Gallego, J. De Val, (2010, Mayo) “Efecto del empleo de caucho de
neumáticos usados por vía seca en las características de las mezclas
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[7] M. Ibrahim, H. Katman, M. Karim, S. Koting, N. Mashaan (2013,
Octubre). “A review on the effect of crumb rubber addition to the
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ID 415246, pp.1–8.,Disponibleen:
http://www.dx.doi.org/10.1155/2013/415246
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bitumen-tire rubber blends: the importance of processing
conditions,”SIIV-5th international congress – Sustainability of road
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[9] Productos derivados del petróleo. Cemento asfáltico (clasificación por
viscosidad), Requisitos, NTE INEN 2515:2010, 2010.
[10] Productos derivados del petróleo. Asfalto modificado con caucho
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[11] P. Sebaaly, G. Bazi, D. Weitzel, D. Bush. “Long term performance of
crumb rubber mixtures in Nevada”, Proc. Asphaltrubberconference,
Brazilia, 2003.
[12] R. Segobia, “Estudio del efecto de la variación de la granulometría del
caucho en mezclas asfálticas por vía seca”,Memoria para optar por el
título de ingeniero civil, Universidad de Chile, Santiago de Chile, 2007.
[13] G. Way, “Recycled tire engineering and research foundation”, The
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[14] S. Xhian, B. Huang, (2008, Junio) “Recycling of waste tire rubber in
asphalt and portland cement concrete: an overview; construction and
building materials”, paper S0950061813010490.
6
Síntesis de Nanopartículas de Dióxido de Titanio Obtenidas por el Método de Sol-Gel _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
1. INTRODUCCIÓN
La nanotecnología se ha vuelto una prioridad en el desarrollo
científico para la producción de nuevos materiales. El uso de
nanopartículas de zinc, titanio, circonio, plata, entre otros,
han permitido obtener nanomateriales con propiedades
químicas, mecánicas y físicas superiores a los materiales
convencionales [3].
Se ha tenido un incremento en el número de productos y
dispositivos que utilizan nanomateriales y nanotecnología por
lo que se necesita instrumentos y técnicas que sean capaces
de cubrir las necesidades en el control de procesos y control
de calidad. Se tiene además la preocupación de los efectos
que pueden producir las nanopartículas en la salud del ser
humano y el medio ambiente; para esto se han creado nuevos
reglamentos utilizados para prevenir daños en el ambiente y
en los sitios de trabajo [2]. Se define como nanopartícula a
cualquier partícula con un tamaño mayor a 1 nanómetro (nm)
y menor a 100 nanómetros, que se comporta como una
unidad en términos de transporte, funcionalidad en las
propiedades estructurales y su interacción con otras especies
y su entorno [11].
El interés científico por sintetizar, manipular, caracterizar y
aplicar nanopartículas se debe a que estas partículas
presentan propiedades mejoradas e incluso diferentes a las de
tamaño macro, debido a que su tamaño de partícula está en el
orden de los nanómetros (10-9
m). Por ejemplo, las
nanopartículas de cobre pasan de ser opacas a transparentes,
el platino en su estado macro es inerte pero nanoparticulado
es un catalizador, en el caso del oro a temperatura ambiente
es líquido y el silicio al ser aislante se vuelve conductor.
Propiedades como la dureza, elasticidad, conductividad
térmica, magnética y eléctrica mejoran al estar ubicadas en la
escala nanométrica. Estas nanopartículas presentan gran
superficie específica y alta actividad superficial, lo que las
hacen excelentes agentes anti-bacteriales, sensores y
catalizadores. Presentan un problema ya que adsorben o
reaccionan con especies en el ambiente, además de que tienen
una alta tendencia a aglomerarse cuando han sido secadas
[3,11].
Síntesis y Caracterización de Nanopartículas de Dióxido de Titanio
Obtenidas por el Método de Sol-Gel
Mosquera E.*; Rosas N.*; Debut A.**; Guerrero V.H.***
*Escuela Politécnica Nacional, Departamento de Materiales, Laboratorio de Materiales Cerámicos, Quito, Ecuador
e-mail: [email protected], [email protected]
**Universidad de las Fuerzas Armadas, Centro de Nanociencia y Nanotecnología, Quito, Ecuador e-mail: [email protected]
***Escuela Politécnica Nacional, Departamento de Materiales, Laboratorio de Nuevos Materiales, Quito, Ecuador
e-mail: [email protected]
Resumen: El dióxido de titanio nanoparticulado es de gran interés tecnológico pues se puede utilizar en diversas
aplicaciones industriales. En este trabajo se sintetizaron nanopartículas de TiO2 en fase anatasa mediante el método
de sol-gel, utilizando oxisulfato de titanio como precursor. Las condiciones de síntesis ensayadas incluyeron
temperaturas de 300 y 500 °C y tiempos de 30 y 60 minutos para la calcinación. Las nanopartículas fueron
caracterizadas mediante espectrofotometría de infrarrojo, dispersión dinámica de luz, microscopía electrónica de
transmisión y difracción de rayos X. Los resultados obtenidos permitieron determinar que las mejores condiciones
de síntesis incluyen calcinación a 500 °C durante 1 hora, con lo cual se obtuvo partículas de tamaño menor a 10 nm.
Palabras clave: nanopartículas, sol-gel, anatasa, TiO2, caracterización.
Abstract: Titanium dioxide in nanoparticle form is of great technological interest since it may be used in several
industrial applications. In this work, titanium dioxide nanoparticles in anatase phase were synthesized by sol-gel
method using titanium oxysulphate as the precursor. Calcination temperatures used were 300 and 500 °C, and
calcination times were 30 and 60 minutes. FT-IR, SEM, TEM and XRD analysis were used to characterize the
samples obtained. According to the results obtained, nanoparticles smaller than 10 nm can be synthetized with a
calcination at 500°C during 1 hour.
Keywords: Nanoparticles, sol-gel, anatase, TiO2, caracterization.
7
Mosquera E.*; Rosas N.*; Debut A.**; Guerrero V.H.***
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Existe una amplia variedad de técnicas para producir
nanopartículas. Estas técnicas están resumidas en tres
categorías: métodos físicos, síntesis química y procesos
mecánicos como la molienda.
Los métodos físicos utilizan técnicas como la ablación con
láser que ha demostrado ser una poderosa y versátil técnica
para preparar nanopartículas o nanopelículas con alta pureza.
La calidad y tamaño de las nanopartículas obtenidas por este
sistema dependen ya sea mediante la optimización de los
parámetros del láser o la presión del gas ambiente. Para
preparar nanopartículas metálicas y cerámicas de óxidos
metálicos se utiliza la condensación del vapor, que implica la
evaporación de un metal sólido seguido por una rápida
condensación para formar el material nanoestructurado. El
tamaño de la partícula es controlado por la variación de la
temperatura, las condiciones de flujo y el gas ambiente.
La síntesis química más utilizada consiste en el crecimiento
de las nanopartículas en un medio líquido compuesto por
varios reactantes. El crecimiento químico de los materiales de
tamaño nanométrico involucra inevitablemente un proceso de
precipitación de la fase sólida de una solución. Para un
disolvente particular, hay una cierta solubilidad para un
soluto, por lo que la adición en exceso de cualquier soluto
dará lugar a la precipitación y la formación de nanocristales.
Junto a los métodos mecánicos utilizados para preparar
nanopartículas, el método que ha recibido mucho interés de la
industria mundial es la molienda con perlas o bolas. El
tamaño de partícula que se alcanza está directamente
relacionado con el tamaño de las perlas utilizadas en el
proceso de molienda. Las aplicaciones de este medio son
primordialmente en la producción de pigmentos y en la
industria de la tinta [1].
Las nanopartículas de dióxido de titanio tienen propiedades
únicas, que hacen posible que puedan ser utilizadas en varios
campos de la ciencia y tecnología incluyendo la
microbiología, nanobiotecnología y medicina [10]. El dióxido
de titanio es un semiconductor que absorbe radiación en la
región UV, que se utiliza como pigmento blanco,
recubrimiento anticorrosivo, sensor de gases, absorbente de
rayos UV en productos cosméticos y de manera general en la
industria cerámica. Además, constituye un óxido estable y no
tóxico que puede tener aplicaciones en limpieza ambiental.
Existen varios métodos para sintetizar dióxido de titanio
como por ejemplo síntesis química en fase vapor,
hidrotermal, precipitación controlada, sol-gel y precursor
polimérico o de Pechini [15].
El método de sol-gel involucra una suspensión coloidal de
partículas donde el precursor puede ser un metal alcóxido
como un aluminato, titanato, borato, silicato, tiosulfato, entre
los más utilizados. El método sol-gel es una técnica que
conduce a la formación de óxidos mediante reacciones
inorgánicas poliméricas. Tiene 4 etapas características:
hidrólisis, policondensación, secado y descomposición
térmica [7].
Una de las aplicaciones más importantes de este método de
síntesis es la producción de películas delgadas de alta calidad
debido a que todo el proceso sucede a condiciones
ambientales, se tiene mayor homogeneidad, baja temperatura
de sinterización, facilidad en obtener materiales con varios
componentes y se puede manejar el tamaño de la partícula así
como su forma y distribución [11, 13, 16].
Cabe indicar que el método de sol-gel típicamente implica el
uso de metales inorgánicos (tetraisopropóxido, tetracloruro
de titanio, entre otros) como precursores. Estos precursores
pueden ser costosos y son insolubles debido a la rápida
hidrólisis que se produce al entrar en contacto con el agua y
el aire. Al utilizar una sal inorgánica como el TiOSO4 en
calidad de precursor se tiene un método más simple y
económico a comparación de los otros antes mencionados
[6].
En este artículo se estudian dos métodos de obtención de
óxido de titanio nanoparticulado en los que se emplea
oxisulfato de titanio como precursor. También se determina
un conjunto de condiciones que puede conducir a la
obtención de material nanoparticulado de tamaños del orden
de 10 nm y menores, con un alto grado de dispersión y una
estrecha distribución de tamaños de partícula. Para esto se
presentan las características de los materiales sintetizados
(estructura, forma y tamaño de las nanopartículas) siguiendo
los dos procesos propuestos. Se presta particular atención al
grado de aglomeración que resulta de seguir diferentes
procesos de síntesis, incluyendo un envejecimiento
intermedio.
Cabe indicar que es útil conocer y evaluar procesos de
síntesis como los que se examinan en este trabajo con miras a
identificar y valorar sus potencialidades y desventajas. En
particular, los resultados presentados en este trabajo pueden
ser empleados para formular procesos de producción a
mediana y gran escala de materiales nanoparticulados, definir
rutas de síntesis de materiales híbridos que empleen óxido de
titanio nanoparticulado como insumo, determinar ámbitos de
aplicación de las nanopartículas producidas y formular
métodos para la utilización efectiva de estos materiales, entre
otros. Las nanopartículas de dióxido de titanio tienen una
amplia aplicación. En el campo de la medicina se han
realizado estudios donde se utilizan membranas
nanocerámicas con nanopartículas de dióxido de titanio para
purificar la sangre.
Se las utiliza en medicamentos basados en compuestos
sintéticos que contienen dichas nanopartículas y son dirigidas
a curar el cáncer o enfermedades genéticas. Por ejemplo, en
oncología se estudia la posibilidad de matar las células de
tumores in vitro foto-excitando las nanopartículas de TiO2.
También en los modernos campos científicos y tecnológicos
como la fotocatálisis, electroquímica, óptica,
microelectrónica, en la producción de colorantes, cerámicos,
cosméticos, sensores de gas, membranas inorgánicas,
dieléctricos, en la síntesis de recubrimientos mesoporosos,
8
Síntesis de Nanopartículas de Dióxido de Titanio Obtenidas por el Método de Sol-Gel _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
procesos de limpieza del ambiente por catálisis, entre otros
[10].
3. MATERIALES Y MÉTODOS
Para obtener nanopartículas de dióxido de titanio se disolvió
2.5 g de oxisulfato de titanio en 300 ml de agua destilada a
temperatura ambiente, con agitación constante. A la mezcla
obtenida se le agregó una solución de hidróxido de amonio al
10 % w/w hasta formar un precipitado con un pH aproximado
de 8.5. El precipitado obtenido fue lavado y filtrado para
eliminar las impurezas y el exceso de reactivo. El filtrado
resultante fue sometido a dos procesos de síntesis.
El primero consistió en agregar 40 ml de alcohol etílico
absoluto y 100 ml de agua destilada al filtrado con una
agitación constante por una hora a una temperatura igual a 80
°C. El segundo consistió en agregar 7.4 ml de peróxido de
hidrógeno al 30 % w/w y 70 ml de agua destilada al filtrado y
someterlo a un proceso de reflujo por 2 horas a 100 ºC. Lo
obtenido de cada síntesis fue calcinado a temperaturas de 300
y 500 °C y tiempos de 30 y 60 minutos.
Para caracterizar las nanopartículas fue necesario determinar
su tamaño de partícula, espectro de infrarrojo y estructura
cristalina. Con ese objeto se realizaron análisis de
caracterización de tamaño de partícula mediante dispersión
dinámica de luz (DLS), espectroscopía de infrarrojo (FT-IR),
microscopía electrónica de transmisión (TEM) y difracción
de rayos X (XRD).
Para la caracterización mediante DLS se usó un analizador
Brookhaven 90 Plus, para FT-IR se empleó un
espectrofotómetro Perkin Elmer Spectrum 100. Para los
estudios de microscopía se empleó un microscopio Tecnai G2
Spirit Twin de FEI. Para los estudios de difracción se empleó
un difractómetro Empyrean de Panalytical. Estos análisis se
efectuaron en las muestras de material nanoparticulado
obtenido en cada proceso de calcinación. En el caso del
análisis DLS y de TEM se utilizó como solvente etanol
absoluto para evitar la aglomeración excesiva de las
partículas de dióxido de titanio.
Se realizó una prueba para determinar la forma en la que se
aglomeran las nanopartículas en el solvente etanol absoluto al
dejar pasar el tiempo. Para esto se realizó una nueva síntesis
por los dos métodos antes descritos y se utilizó la misma
condición de calcinación en cada caso. Se tomó una muestra
de 50 mg de cada material sintetizado y se los disolvió en
etanol absoluto. Se sonicaron las muestras durante 4 minutos
para deshacer cualquier aglomeración que se haya producido
en el proceso de calcinación. Posteriormente se realizaron los
análisis por DLS al tiempo 0 y cada 10 minutos hasta
completar 4 mediciones.
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En varios casos el uso efectivo de material nanoparticulado
depende en buena medida del tamaño de las partículas que se
manejan y la facilidad de dispersarlas. También es útil poder
controlar procesos con ayuda de métodos de caracterización
relativamente sencillos y de bajo costo.
Los dos procesos de síntesis estudiados en este trabajo
permitieron obtener óxido de titanio cuasi-esférico con un
tamaño del orden de unos 10 nm o menor, como se verificó
por medio de los análisis usando TEM. Sin embargo, las
nanopartículas obtenidas tienden a aglomerarse, lo cual puede
dificultar su caracterización y uso posterior.
La Figura 1 ilustra el tamaño y la morfología de las
nanopartículas sintetizadas por el primer método de síntesis a
diferentes condiciones de calcinación y la distribución de las
partículas en el solvente etanol absoluto. Se observa que las
nanopartículas tienden a aglomerarse como se muestran en
todos los casos presentados en dicha figura. La misma
tendencia de comportamiento de las nanopartículas de TiO2
se observa en la Figura donde se ilustran las nanopartículas
sintetizadas por el método que utiliza peróxido de hidrógeno
y reflujo.
Para comparar el tamaño de partícula obtenido mediante los
métodos empleados en este trabajo se pueden considerar
varios referentes. Así por ejemplo, Deorsola y Vallauri [4]
también utilizan sol-gel como método de síntesis de
nanopartículas de TiO2 pero utilizan tetraisopropóxido de
titanio como precursor. En este caso, al sintetizar
nanopartículas de TiO2 calcinando a 300 °C por 60 minutos,
se obtuvieron nanopartículas con un tamaño del orden de 50
nm. En el caso de Hernández et al [8] se utiliza tetracloruro
de titanio y se observa que las partículas que obtienen son en
promedio de 20 a 50 nm mayores a las obtenidas por la
síntesis que utiliza etanol absoluto sin reflujo. Con esto se
puede afirmar que los dos procesos empleados en el presente
trabajo permiten obtener partículas con un tamaño
relativamente pequeño.
Figura 1. Micrografías TEM de las partículas de TiO2 obtenidas por el
método 1 a las siguientes condiciones de calcinación: (a) 300 °C - 30 min,
(b) 300 °C - 60 min, (c) 500 °C - 30 min, (d) 500 °C - 60 min
9
Mosquera E.*; Rosas N.*; Debut A.**; Guerrero V.H.***
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Figura 2. Micrografías TEM de las partículas de TiO2 obtenidas por el
método 2 a las siguientes condiciones de calcinación: (a) 300 °C - 30 min,
(b) 300 °C - 60 min, (c) 500 °C - 30 min, (d) 500 °C - 60 min
Los patrones de difracción de rayos X de las partículas de
TiO2 sintetizadas a las diferentes temperaturas y tiempos de
calcinación se presentan en la Fig. 3 se observan que las ocho
muestras analizadas presentan picos a 25.3°, 37.9° y 48°.
Estos picos son característicos de la fase cristalina anatasa
[8]. Tanto con la síntesis 1, como con la 2 se generan
partículas en fase anatasa. También se observa que, tal como
detallan Lei Ge y Mingxia Xu [6], las partículas calcinadas a
300 °C contienen pocos cristales de TiO2 en fase anatasa y la
mayoría es amorfa, a diferencia de las calcinadas a 500 °C.
Figura 3. Patrones de difracción de rayos X obtenidos a las diferentes
condiciones de calcinación
Los patrones de difracción de rayos X obtenidos presentan
mucho ruido, como se puede observar en la Fig. 3. Esto se
puede deber a la escasa cantidad de muestra analizada en el
equipo usado. Cabe mencionar que los métodos de síntesis de
dióxido de titanio por sol-gel utilizados en el presente trabajo
permiten obtener cantidades relativamente pequeñas de
material nanoparticulado. Por ello la caracterización debió
efectuarse con cantidades limitadas de material.
Con el uso efectivo en mente y tal como se mencionó en
líneas previas, se utilizó DLS para determinar el diámetro
efectivo y tener una idea del grado de aglomeración de las
nanopartículas obtenidas. El diámetro efectivo representa un
tamaño promedio de todas las partículas que se encuentran en
una muestra. Cabe mencionar que se utilizó etanol absoluto
como solvente de las muestras obtenidas en los diferentes
procesos de calcinación, tanto en el análisis DLS como en el
TEM.
La Fig. 4 presenta un resumen de los diámetros efectivos
obtenidos en los análisis DLS realizados. Se observa que un
menor tamaño de partícula se obtiene al utilizar el primer
proceso de síntesis. De hecho, en todos los casos las
dimensiones de las partículas obtenidas por el segundo
método superan los 100 nm. Esto indica que estas
nanopartículas se encuentran significativamente aglomeradas.
Figura 4. Tamaños de partículas obtenidos en el análisis DLS
Cabe señalar que los análisis efectuados mediante DLS
también evidenciaron que las partículas constituidas en
etanol, a partir de la aglomeración de las nanopartículas
sintetizadas, tenían una distribución de tamaños
relativamente estrecha. Así, como se puede observar en la
Tabla 1, la polidispersidad obtenida para los dos métodos de
síntesis y las dos condiciones de calcinación estudiados
variaba entre 0.005 y 0.245 para un conjunto de muestras.
Con valores menores a aproximadamente 0.08 se podría decir
que las muestras son aproximadamente monodispersas.
Tabla 1. Valores de polidispersidad obtenidos en cada proceso estudiado
Condiciones de Calcinación Síntesis 1 Síntesis 2
300 °C y 30 min 0.189 0.245
300 °C y 60 min 0.005 0.057
500 °C y 30 min 0.172 0.187
500 °C y 60 min 0.188 0.177
El grado de aglomeración de las nanopartículas obtenidas se
puede modificar o eliminar usando diferentes precursores,
reactivos y solventes, o modificando los procesos de síntesis.
Así, Herrera, Cadena y Lascano usaron lavados con etanol y
encontraron que con ello se favorece la conformación de la
53,7
115,7 95,8
7,4
114,1
29,1
171,7 165,4
0
50
100
150
200
300 °C y 30min
300 °C y 60min
500 °C y 30min
500 °C y 60min
Tam
año
de
Par
tícu
la [
nm
]
Condiciones
Síntesis 1 Síntesis 2
10
Síntesis de Nanopartículas de Dióxido de Titanio Obtenidas por el Método de Sol-Gel _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
estructura del material a sintetizar, disminuye el tamaño y el
grado de aglomeración de las partículas y beneficia la
formación de partículas con morfología definida [9].
También en su estudio determinan que el tiempo de
envejecimiento induce a la formación de nanopartículas de
mayor tamaño, fomenta el grado de aglomeración, pero
ofrece beneficios en cuanto a una distribución de tamaño de
partículas secundarias más homogénea.
En este trabajo, con el objetivo de reducir el grado de
aglomeración de las nanopartículas sintetizadas se realizaron
nuevas síntesis por los dos métodos antes descritos pero
dejando 24 horas de maduración.
La Figura 5 presenta los resultados obtenidos considerando
este tiempo de envejecimiento. Se observa que por el
segundo método se tiene la misma tendencia de aglomeración
estudiada por Herrera, Cadena y Lascano. En el caso del
primer método se tiene el efecto contrario, se observa una
disminución en el tamaño de partícula, lo que indica que el
etanol tiene una fuerte influencia sobre las partículas ya que
éste es utilizado como reactivo en el primer método de
síntesis, además de como solvente.
Figura 5. Tamaños de partículas obtenidos en el análisis DLS con un tiempo
de envejecimiento de 24 horas
Otro de los factores que afectan el grado de aglomeración de
las nanopartículas es el tiempo que estas se hallan
suspendidas en un solvente. En este trabajo, los análisis
mediante DLS también se usaron para observar la influencia
del método de síntesis y el tiempo sobre la aglomeración.
La
Figura ilustra la evolución del tamaño de partícula a medida
que pasa el tiempo cuando se consideran dos de las muestras
sintetizadas siguiendo los procedimientos antes descritos, con
calcinación a 300 °C durante 60 minutos. Se observa que al
utilizar el primer método de síntesis se obtienen partículas
más pequeñas en comparación con el segundo método.
Además, a medida que pasa el tiempo, las nanopartículas
obtenidas mediante el primer método se aglomeran menos.
Así, su diámetro efectivo aumentó aproximadamente 13.5 %
en 30 min. Por otro lado, existe mayor aglomeración al
utilizar el segundo método de síntesis y, en mediciones
repetidas a lo largo del tiempo se observa una mayor
variación en el diámetro efectivo de las partículas.
Así, al utilizar el segundo proceso de síntesis el diámetro
efectivo aumentó aproximadamente 20.5 % en 30 min.
Figura 6. Diámetro efectivo de partícula, determinado mediante DLS, en dos
muestras sintetizadas por los métodos descritos a una temperatura de 300 °C
y 60 minutos
Los resultados obtenidos permiten corroborar el que la
selección de las condiciones de síntesis, el precursor
utilizado, tiempo de agitación, pH y temperatura permiten el
control racional del tamaño, la forma y estado de
aglomeración de las partículas. En este trabajo, el empleo de
etanol durante la síntesis de óxido de titanio usando el
método de sol-gel, y un envejecimiento de 24 h en el proceso,
permiten obtener nanopartículas relativamente pequeñas y
poco aglomeradas.
Para evaluar el material nanoparticulado sintetizado también
se efectuaron comparaciones con una muestra de TiO2 en fase
anatasa distribuido comercialmente.
En la Figura se presenta el espectro de infrarrojo de la
muestra comercial de dióxido de titanio nanoparticulado en
fase anatasa. Como se puede ver en la figura, las bandas que
aparecen en el rango entre 3500 a 3000 cm-1
se deben a
estiramientos vibracionales de los enlaces –OH. Aquellas que
están alrededor de los 1600 cm-1
se deben a la deformación
tipo tijera de los protones del agua adsorbida. Existen bandas
situadas en el intervalo de 700-400 cm-1
características de
enlaces Ti-O-Ti [8,12, 14,15].
Los valores cercanos a 551, 602, 650, 685 y 800 cm-1
indican
enlaces Ti-O para fase anatasa [5].
Para determinar la identidad de cada muestra analizada por
FT-IR, a las diferentes condiciones de calcinación, se utilizó
el coeficiente de correlación que indica la similitud entre la
muestra de dióxido de titanio nanoparticulado comercial en
fase anatasa con la sintetizada. Mientras más cercano sea el
valor a la unidad, mayor similitud hay entre las muestras
comparadas.
6,8
49,2
4,7 4,3
160,5
89,8 86,9
194,2
0
50
100
150
200
250
300 °C y 30
min
300 °C y 60
min
500 °C y 30
min
500 °C y 60
min
Tam
año d
e P
artí
cula
[nm
]
Condiciones
Síntesis 1 Síntesis 2
26 27,7 28,7
29,5
43,4
48,3 49,8 52,3
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40
Tam
año d
e par
tícu
la [
nm
]
Tiempo [min]
Síntesis 1 Síntesis 2
11
Mosquera E.*; Rosas N.*; Debut A.**; Guerrero V.H.***
_______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Figura 7. Espectro de infrarrojo del dióxido de titanio nanoparticulado en
fase anatasa comercial
En la Fig. 8 se puede observar que el coeficiente de
correlación correspondiente a la primera síntesis tiene valores
más cercanos a la unidad que los obtenidos por el segundo
método de síntesis. Se observa la misma tendencia a las
diferentes condiciones de calcinación realizadas. Los valores
obtenidos en cada caso, al superar el valor de referencia de
0.98 proporcionado por el equipo empleado, se consideran
adecuados y evidencian que los polvos obtenidos en los
procesos de calcinación son polvos de dióxido de titanio.
Figura 8. Coeficiente de correlación de las muestras obtenidas a diferentes
condiciones de calcinación
5. CONCLUSIONES
El empleo del método de sol-gel y de precursores tales como
el TiOSO4 permite obtener dióxido de titanio con un tamaño
de partícula del orden de 10 nm y menor. Sin embargo, estas
nanopartículas pueden presentar una significativa
aglomeración. El tamaño y la forma de las nanopartículas
obtenidas se pueden determinar a través de análisis como los
de microscopía electrónica de transmisión. Estos análisis
también pueden revelar la relativamente baja influencia de las
temperaturas y tiempos de calcinación en el tamaño y forma
de las nanopartículas que se obtienen.
El uso de dispersión dinámica de luz constituye una
alternativa de caracterización de relativamente fácil uso y que
permite determinar el grado de aglomeración de
nanopartículas. En este sentido, el DLS puede ayudar a
seleccionar procesos de síntesis que garanticen una adecuada
dispersión de material nanoparticulado.
En este trabajo se ha evidenciado que se puede emplear un
método sol-gel que utiliza etanol absoluto y calcinación
durante periodos de hasta 1 hora a temperaturas de entre 300
y 500 °C, y un envejecimiento de 24 h durante el proceso,
para obtener nanopartículas con una muy buena dispersión,
que se mantiene a lo largo de periodos significativos de
tiempo. La calcinación a 500 °C durante 1 h permite obtener
partículas altamente dispersas, sin necesidad de envejecer las
muestras. Estas nanopartículas dispersas podrían ser usadas
de manera eficiente en la obtención de materiales
nanopartículados híbridos, en la impregnación de sustratos
porosos y nanoporosos, o en la obtención de películas
delgadas nanoestructuradas, entre otros.
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Tesis de Maestría, Universidad Michoacana de San Nicolás de
Hidalgo. México, 2010.
0,982
0,984
0,986
0,988
0,99
0,992
0,994
0,996
0,998
1
300 °C y 30
min
300 °C y 60
min
500 °C y 30
min
500 °C y 60
min
Síntesis 1 Síntesis 2
12
Síntesis de Nanopartículas de Dióxido de Titanio Obtenidas por el Método de Sol-Gel _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
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métodos químicos”. Ingeniería y Desarrollo, vol. 29, no. 2, pp.186–
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13
Influencia de las Variables de Procesamiento Tecnológico Industrial en la Aparición del Defecto de Eflorescencia en Piezas de Arcilla Cocida _________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
1. INTRODUCCION
Las piezas de arcilla cocida son utilizadas en la construcción
(albañilería) en estructuras, revestimientos, pisos y techos; son
elaboradas a partir de arcillas y/o mezclas de materiales
arcillosos. Se distinguen dos tipos básicos de piezas de arcilla
cocida, según su uso arquitectónico, las piezas para
revestimiento (paredes y/o elementos estructurales) y las de
tipo cara vista u obra limpia. En las piezas de tipo cara vista,
adicional a los requerimientos técnicos y prestacionales que
debe cumplir toda pieza para su uso en albañilería, tales como
valores mínimos de resistencia mecánica y niveles máximos
Influencia de las Variables de Procesamiento Tecnológico Industrial
en la Aparición del Defecto de Eflorescencia en
Piezas de Arcilla Cocida
Grimán S.*; Lascano L.**; Rosas N.***; Uribe R.****
* Instituto Universitario de Tecnología “Dr. Federico Rivero Palacio”, Dpto. de Tecnología de Materiales. Caracas, Venezuela
e-mail: [email protected]
**Escuela Politécnica Nacional, Facultad Ciencias, Quito, Ecuador
e-mail: [email protected]
*** Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Mecánica, Quito, Ecuador
e-mail: [email protected]
**** Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Mecánica, Prometeo-SENESCYT, Quito, Ecuador
e-mail:[email protected], [email protected]
Resumen: Las eflorescencias en las piezas de arcilla cocida consisten en la aparición de manchas blancas debidas a
depósitos salinos, que suelen aparecer en su superficie. Éstas deben su origen generalmente a las sales solubles
(sulfatos sódicos, potásicos, magnésicos o cálcicos, compuestos de hierro, carbonatos, compuestos de vanadio y óxido
de manganeso) contenidas en las arcillas y en las aguas que se utilizan en los procesos productivos. La influencia de
este defecto en las piezas alfareras suele ser casi siempre la pérdida de calidad estética, lo que repercute en su valor
comercial, aunque en determinados casos extremos, dependiendo del tipo de sal que produzca la eflorescencia puede
provocar erosión y en algunos casos también puede afectar su durabilidad. En este trabajo se realizó un estudio sobre
la influencia de las variables de procesamiento tecnológico industrial en la aparición del defecto de eflorescencia, en
piezas de arcilla cocida. Para ello, a las piezas obtenidas en estos procesos, se les provocó la inducción del defecto
de eflorescencia por medio del método de ensayo de la norma UNE 67 029:95, donde se obtuvo que el proceso de
secado y cocción rápido acentúa el defecto de eflorescencia, obteniéndose proporciones de superficies afectadas
superiores al cincuenta por ciento (50 %). El estudio básico de la naturaleza de las eflorescencias evidenciadas en las
piezas de arcilla cocida, mediante los ensayos de difracción de rayos X y Microscopía Electrónica de Barrido (MEB-
EDS), arrojó como resultado que las eflorescencias son producidas esencialmente por la presencia del carbonato de
calcio.
Palabras clave: Eflorescencia, sales solubles, arcilla cocida, alfarerías, cerámica.
Abstract: Efflorescence in ceramic clay consists in the apparition of white stains due to salt deposits. Those deposits
use to appear on its surface. Its origin is generally caused by soluble salts (sodium, potassium, magnesium or calcium
sulfate. iron compounds, carbonates, vanadium compounds and manganese oxide) contained inside the clay and
inside the water used for the productive processes. The influence of this defect in the clay pieces is almost always the
loss of esthetic quality, which have repercussions on its commercial value. Even though in determined extreme cases,
depending on the salt type that produces the efflorescence, it may cause erosion and in other cases it may also affect
its durability. On this research it was developed a study about the influence of technological industrial production
variables on efflorescence defect in national production baked clay pieces. To achieve this, to the pieces obtained
through this processes, efflorescence defect induction was provoked on them, through the testing method according
to UNE 67 029:95. From where it was determined that dry and fast baking process accentuates efflorescence defect,
being obtained proportions of affected surfaces higher than fifty percent (50 %). The basic study of the nature of
evidenced efflorescence in the ceramic clay pieces through X-rays diffraction and scanning electron microscopy
(SEM-EDS), showed that efflorescence is produced by the presence of calcium carbonate.
Keywords: Efflorescence, soluble salts, ceramic clay, pottery, ceramic
14
Grimán S.*; Lascano L.**; Rosas N.***; Uribe R. **** _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
de absorción de agua, de acuerdo con las normas de calidad
nacionales e internacionales, los aspectos superficiales y de
presentación estética ocupan un lugar preponderante debido al
impacto visual que causa en los usuarios durante su puesta en
servicio.
En las piezas de arcilla cocida y en especial las piezas de obra
limpia, producidas por muchas empresas, se ha evidenciado la
presencia del defecto de eflorescencia. Este defecto consiste
en la ocurrencia de depósitos de sales solubles que, en unión
con el agua, migran a la superficie de las piezas formando
manchas o velos generalmente blanquecinos, lo cual
desmejora el acabado final de las piezas ocasionando la
insatisfacción en los clientes, hecho que se ha demostrado al
comercializar el producto.
El aporte de estas sales puede ser interno o externo: las sales
pueden encontrarse en el propio ladrillo, en la arcilla que
contiene compuestos solubles en agua, durante el proceso de
secado o durante el proceso de cocción, ya que puede
impregnarse de humos y gases que circulan por el interior de
los secaderos y hornos, en el mortero (en los áridos, el cemento
o aditivos químicos) y, a veces, en el terreno. [15]
La aparición de estas eflorescencias se origina por la presencia
de sales solubles en la composición de las arcillas utilizadas,
así como por los cementos y morteros utilizados en el proceso
de construcción que, en la mayor parte de los casos, pueden
representar un elevado porcentaje. Estudios recientes
establecen unos límites a partir de los cuales pueden aparecer
eflorescencias, así como los mecanismos mediante los cuales
se produce la migración de las sales solubles en la pieza. [7]
En este trabajo se realizó un estudio sobre las variables de
procesamiento tecnológico industrial que influyen en la
aparición del defecto de eflorescencia en piezas de arcilla
cocida. Para este tipo de investigación normalmente los
ensayos se realizan sobre las materias primas antes de ser
procesadas, pero las eflorescencias aparecen lógicamente
sobre los productos cocidos, es por ello, que en este trabajo,
se han realizado los ensayos tanto en los materiales crudos
como en los cocidos, dada la importancia que supone conocer
las transformaciones estructurales que sufren estos materiales
cuando se someten a distintos ciclos de secado y cocción.
La inducción del defecto de eflorescencia en las piezas
obtenidas en estos procesos, se llevó a cabo por medio del
método de ensayo establecido en la norma UNE- 67-029:95.
Asimismo, el estudio básico de la naturaleza de las
eflorescencias en las piezas de arcilla cocida se realizó
mediante ensayos de difracción de rayos X y Microscopía
Electrónica de Barrido (MEB-EDS).
2. MARCO DE REFERENCIA
Las piezas de arcilla cocida son cuerpos conformados a partir
de pastas de arcillas rojas (color característico debido al alto
contenido de óxido férrico), que son sometidas a la acción de
altas temperaturas durante la cocción para que se forme una
cantidad apropiada de fase vítrea y adquieran las propiedades
cerámicas que las caracterizan. La temperatura de cocción no
puede ser tan alta como para que el porcentaje de líquido haga
que el producto se deforme, igualmente está limitada por la
presencia de hierro, que actúa como elemento fundente. El
intervalo de cocción está entre 850 °C y 950 °C según la
materia prima utilizada, el tipo de horno y el diseño de los
productos. De esta manera se obtienen materiales bien
consolidados, con estructura porosa, no esmaltados. [10]
En el diagrama de flujo de la Fig. 1 se presentan las etapas
típicas de un proceso tecnológico de producción de piezas de
arcilla cocida:
Figura 1. Diagrama de flujo típico de un proceso productivo de piezas de
arcilla cocida.
2.1 Eflorescencias en las etapas de fabricación de piezas
Las eflorescencias que se forman durante el proceso de
fabricación de los ladrillos se denominan velos, y se pueden
clasificar en velo de secado, velo de secadero, velo de horno,
velo de obra:
Velo de secado: Se llama así a la eflorescencia o mancha
blanca que aparece cuando se seca al aire una masa húmeda de
arcilla cruda que contiene sales solubles. En relación a esto se
ha observado que el tipo de proceso de moldeado puede afectar
la aparición del velo de secado, de manera que las piezas que
se moldean en proceso semiseco no presentan este tipo de
eflorescencias. La explicación se debe a que el agua contenida
en el interior de la pieza está, en este caso, aislada por zonas,
de manera que no puede ejercer su labor de transporte de sales
hacia la superficie. [13]
Velo de secadero: Es la eflorescencia que aparece en la masa
cruda o verde cuando la arcilla, una vez amasada y moldeada,
se somete al proceso de secado previo a la cocción. En este
caso no se trata de un fenómeno natural como el anterior que
Etapas del Proceso Productivo
Etapa 01:
Recepción de Materias Primas.
Etapa 02:
Preparación de Pasta (Molienda).
Etapa 03:
Moldeo de Piezas (Extrusión).
Etapa 04:
Secado de Piezas.
Etapa 05:
Carga de Hornos.
Etapa 06:
Cocción de Piezas.
Etapa 07:
Descarga de Hornos.
Etapa 08:
Embalaje y Almacenamiento.
Etapa 09:
Despacho de productos.
Etapas de soporte del proceso
productivo
Almacenamiento
Decisión Transporte desechos
Dirección del
flujo
Control / Verificación
/ Inspección
Actividad / Operación del proceso
Obra cara vista
Obra para revestir
09
05
06
07
08
01
02
03 03
02
04 04
15
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
depende únicamente de la masa arcillosa. Ahora la aparición
de eflorescencia, puede estar además influida por la atmósfera
del secadero. La velocidad de secado puede afectar también a
la aparición de este tipo de defecto. Así, cuando los ladrillos
se secan a elevadas velocidades de secado y a mayor
temperatura, el velo de secado se aprecia menos y/o está
distribuido de forma más homogénea. Por el contrario, si la
velocidad de secado es lenta, la eflorescencia se forma más en
los vértices y aristas del ladrillo. [11]
Velos de horno: Se definen como los velos que se forman
durante el proceso de cocción, ya sean velos de secadero que
se consolidan y se hacen permanentes por el ambiente y las
condiciones térmicas determinadas de la cocción, o velos que
se forman durante la propia cocción por la condensación de
gases sulfurosos sobre la superficie de la pieza. Estos velos que
se consolidan o forman durante la etapa de cocción son
extremadamente difíciles de eliminar. Si se producen por sales
cálcicas puede ser de anortita (CaO-Al2O3-2SiO2). Si
interviene el sodio, puede ser de labradorita, fase formada por
solución sólida de albita (Na2O-Al2O3-6SiO2) en anortita. Se
pueden llegar a formar incluso otros silicatos como cordierita,
2MgO-2A12O3-5SiO2, si el velo está producido por sales
magnésicas. [11]
Velo de obra: Se ha denominado con este nombre por vez
primera, a la eflorescencia más comúnmente observada, que es
la que aparece en las paredes de los edificios una vez
construidos. En estas eflorescencias, las sales se hacen visibles
al ser transportadas por el agua o la humedad desde el interior
hacia el exterior del ladrillo, precipitándose en su superficie.
[13]
2.2 Origen de las Eflorescencias
Para que se produzca la eflorescencia es necesario que ocurran
tres fenómenos físico-químicos, los cuales son:
Existencia de sales solubles en algunos de los materiales
constitutivos del ladrillo.
Presencia de humedad, normalmente infiltrada, como
alguna de las lesiones, que tiende a salir al exterior por
simple diferencia de presión de vapor.
Disolución y transporte de las sales hacia la superficie
exterior, donde, al evaporarse el agua en contacto con una
atmósfera con menor presión de vapor, las sales disueltas
recristalizan, adoptando formas simétricas según la forma
de cristalización, que parecen flores, de donde viene su
nombre eflorescencia. [5,12]
El porcentaje de sales solubles varía según el tipo de pasta
utilizada en la fabricación. Por lo general, las arcillas
caoliníticas contienen bajos porcentajes de sales solubles, ya
que han estado sometidas a un proceso de lixiviado por el agua
de lluvia; las illíticas, en cambio, suelen ser más ricas con
cantidades de hasta el 8 % de sales solubles. Pero no hay que
considerar únicamente las sales que se pueden presentar como
impurezas en la arcilla, también hay que considerar las sales
que pueden provenir tanto del desgrasante como del agua
utilizada en la fabricación [15]. Las eflorescencias más
frecuentes son las producidas por sulfatos, nitratos y cloruros.
En la Tabla 1 se muestran las sales más frecuentes que inducen
eflorescencias con sus propiedades físicas.
El agua utilizada en la etapa de amasado, es un factor que
también puede contribuir con el contenido de sales. Se debe
hacer ensayos en la calidad del agua para ver si hay presencia
de calcio, magnesio potasio y sodio. La dureza del agua es
determinada por el contenido de calcio y magnesio: cuanto
más alto sea el contenido de calcio y magnesio, mayor dureza
tendrá el agua. Cuando el agua es rebajada por medio de
intercambio de iones, cada ion de calcio (y magnesio) es
reemplazado por 2 iones de sodio. El sodio añadido puede
aumentar el potencial para formar eflorescencia. [1]
Tabla 1. Sales más frecuentes que inducen las eflorescencias. [9]
Es frecuente encontrar suelos con altos contenidos en sulfatos
de Ca, Na y Mg. En general, los terrenos esquistosos arcillosos
suelen estar muy contaminados por sales. Esta contaminación
también se da en terrenos urbanos que contienen escorias,
escombros o residuos industriales. Cuando la eflorescencia
aparece en el exterior del muro no suele tener más
consecuencias que las simplemente estéticas, pero cuando hay
"criptoeflorescencias" las sales se acumulan en el interior,
pudiendo dar lugar a consecuencias catastróficas
(hinchamientos, abultamientos, resquebrajamientos, otros).
De la misma forma, las sales solubles en el ladrillo pueden
proceder de las materias primas originales o formarse, por
reacción con los gases del homo, durante las etapas de secado
y cocción. Otra posibilidad es que se formen por interacción
de los distintos componentes de las materias primas. Estas
sales solubles derivan del azufre que esté contenido en las
materias primas, como sulfatos y sulfuros.
Sal Propiedades Solubilidad
(g/100ml)
𝐶𝑎𝑆𝑂4 Poco soluble, pero susceptible de
expansionar por formación de etringita con los aluminatos del cemento.
0.21
𝑁𝑎2𝑆𝑂4 Soluble, fácilmente cristalizable con
expansión.
19.5
𝐾2𝑆𝑂4 Soluble, fácilmente cristalizable. 12.0
𝑀𝑔𝑆𝑂4 Soluble, fácilmente cristalizable. Se
presenta con escasa frecuencia. Todos los sulfatos solubles pueden dar lugar a la
formación de etringita.
26.0
𝑁𝑎𝑁𝑂3𝐾𝑁𝑂3
Constituyen el salitre. Solubles, fácilmente
cristalizables. Provienen de materia orgánica en descomposición. Son muy poco
frecuentes.
17.5
𝑁𝑎𝐶𝑙 Solubles, fácilmente cristalizables. Provienen de suelos ambientes marinos. No
peligrosa.
35.7
𝐶𝑎𝐶𝑙2 Soluble. Proviene de aditivos o de
reacciones del NaCl con la cal del mortero. Ataca a los pigmentos y favorece la
formación de mohos.
59.5
𝐵𝑎𝐶𝑂3𝐵𝑎𝑆𝑂4
Ambas son muy poco solubles por lo que se utilizara en la fabricación de ladrillos con el
fin de desplazar la formación de aquellas
sales más solubles.
2.2 × 10−3
2.2 × 10−5
16
Grimán S.*; Lascano L.**; Rosas N.***; Uribe R. **** _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Las sales insolubles son las que normalmente dan lugar a
eflorescencias. Ahora bien, la composición de las
eflorescencias que aparecen en el ladrillo no tiene por qué ser
de la misma composición que las existentes en las materias
primas originales. Así, por ejemplo, puede darse el caso de un
esquisto que no presente eflorescencias y sólo contenga
CaCO3, cuando se le añada en crudo MgSO4-7H2O y de lugar
a eflorescencias de Na2SO4 y CaSO4 en los ladrillos. Si se
añadiera yeso se producirían, en cambio, eflorescencias de
CaSO4, Na2SO4 y algo de K2SO4. De igual forma, si se
añadiera pirita (sulfuro de hierro) se producirían abundantes
eflorescencias de MgSO4, AlK(SO4)2, Na2SO4 y CaSO4. Así
pues, puede comprenderse con este ejemplo lo complicado que
a veces puede resultar conocer el origen del fenómeno de
formación de eflorescencias. [3]
La presencia de gases, tales como SO2, en los secadores y
hornos, tiene mucho que ver con la formación de
eflorescencias. Si la atmósfera sulfurosa actúa sobre la arcilla
cuando ésta aún está húmeda puede favorecer la formación de
eflorescencias. Además, si las arcillas contienen CaCO3 y/o
MgCO3 es más fácil que aumente su contenido en sulfatos en
atmósferas sulfurosas [3]. La Fig. 2 presenta la absorción de
SO3 de los gases de cocción comparativamente en una arcilla
libre de cal con otra que contiene este mineral, puede
comprobarse que la máxima absorción de SO3 tiene lugar
aproximadamente a 500 °C.
Figura 2. Absorción de SO3 en arcillas con o sin contenido de cal. [14]
En general, la descomposición de las sales insolubles a altas
temperaturas afecta a la formación de eflorescencias. Así, la
pirita, FeS2 se descompone casi completamente a 600 °C
favoreciendo la cristalización de MgSO4 a partir del SO3
formado. Este sulfato tiene un intervalo de formación entre
300 y 900 °C. Se puede observar que al disminuir el contenido
de dicho sulfato se produce un aumento simultáneo en la
formación de CaSO4 hasta altas temperaturas. El CaSO4 no
empieza a descomponerse hasta 1 000 °C. Aún así, estos
procesos son muy relativos pues dependen de multitud de
factores, tales como tamaño de partícula, resistencia del
producto, tipo de pieza, atmósfera de cocción, velocidad de
flujo de los gases, etc. [6, 8, 14].
En otros ensayos se ha comprobado que mientras el CaSO4 se
descompone en atmósfera oxidante entre 1 300 y 1 400 °C,
esta descomposición puede tener lugar entre 700 y 800 °C en
atmósfera reductora. Hasta es posible que en atmósfera de SO2
no se descompongan el MgSO4 y el Na2SO4 a elevadas
temperaturas [11].
En síntesis, es importante saber la cantidad de sales que
contiene el ladrillo. Pero aunque las sales representan en peso
una cantidad de varias partes por mil respecto del ladrillo, las
eflorescencias que aparecen durante el proceso tecnológico de
fabricación representan millonésimas partes del peso total de
la misma. Por ello se puede sacar como conclusión que sólo
entra a formar eflorescencia una pequeñísima parte de las sales
existentes. Las sales que aparecen en la superficie del ladrillo
suelen tener composición diferente de las del interior. En la
Fig. 3 se muestra esquemáticamente la composición de las
sales extraídas del ladrillo y de las eflorescencias. Se observa
que las sales están formadas en su mayoría por un 70 % por
sulfato cálcico, y el resto lo constituyen los sulfatos de sodio
de potasio y magnesio. En las piezas con eflorescencias, por el
contrario, predominan los sulfatos de sodio y de potasio. El
sulfato de calcio aparece en proporciones mucho menores [2].
Figura 3. Composición de los sulfatos extraídos de un ladrillo y de los que
aparecen como eflorescencia sobre su superficie. [2]
Se confirma, por varios autores [2, 4, 6, 8, 14] que el CaSO4
suele aparecer fundamentalmente en el interior del ladrillo.
Este hecho tiene que ver con la diferente solubilidad de las
sales ya que Na2SO4, K2SO4 y MgSO4 son muchos más
solubles que el CaSO4, por lo que se movilizan más fácilmente
hacia la superficie.
3. MARCO EXPERIMENTAL
Los ensayos de caracterización de materias primas y muestras
se realizaron en los Laboratorios del Centro de Asistencia a la
Industria Cerámica CAIC, perteneciente a FUNDATEC,
Caracas-Venezuela, bajo los procedimientos y/o Normas
Venezolanas COVENIN y las Normas ASTM y UNE-EN,
establecidas para tal fin. La arcilla utilizada para la preparación
de las piezas es una materia prima arcillosa alfarera
proveniente del Estado Miranda, Venezuela, la cual se
denominará para este estudio “Arcilla Venezuela”, código:
AV. La arcilla AV fue sometida a un tratamiento inicial de
beneficiado industrial (trituración, amasado y molienda) a
partir del cual se realizaron los ensayos de acuerdo con los
requerimientos de preparación de muestras particulares para
cada ensayo, según lo establecido en el procedimiento y/o
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Influencia de las Variables de Procesamiento Tecnológico Industrial en la Aparición del Defecto de Eflorescencia en Piezas de Arcilla Cocida _________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Norma de análisis correspondiente. En lo específico, se
realizaron las siguientes evaluaciones y determinaciones:
Caracterización física: Color natural, humedad inicial,
consistencia, textura, análisis granulométrico fracción gruesa
por tamizado vía húmeda (Norma ASTM C-325), análisis
granulométrico fracción fina mediante un equipo de difracción
láser marca Malvern modelo Mastersizer 2000, con un rango
de medición entre los 0.02 - 2000 m (Norma ISO 13320).
Caracterización química: Determinación cualitativa de la
presencia de materia orgánica y de carbonatos en la arcilla,
AV. Análisis químico por espectroscopía de absorción atómica
de llama realizado con el espectrofotómetro de absorción
atómica con cámara de grafito y corrector Zeeman SpectrAA-
800 GTA100 de VARIAN, de acuerdo con lo establecido en la
Norma ASTM C114-04. Determinación de sulfatos solubles
con utilización de un equipo Turbidimetro marca COLE
PARMER modelo 08391-40 (Norma ASTM C-867), también
se utilizó el equipo SG78: SevenGoDuo pro™ para la
medición de pH/concentraciones de iones/conductividad de la
casa Mettler, Toledo. Asimismo, se ejecutaron las técnicas o
métodos de análisis cuantitativo por titulación y gravimetría.
Fueron analizadas, adicionalmente al agua de lavado de la
arcilla AV, distintas muestras de aguas con potencial uso en la
preparación industrial de pastas cerámicas, las cuales
denominaremos: el agua de pozo (AV-P), el agua de pozo
Profundo (AV-PP), agua de hidrocapital (AV-H) y una
muestra patrón de agua desmineralizada (AV-D).
Evaluación mineralógica: La determinación de fases
mineralógicas se realizó por difracción de rayos X con el
equipo difractometro Phillips PW-1840, de análisis
semicomputarizado y con barrido realizado con cátodo de
Cobre. La identificación morfológica y la composición
química de la pieza eflorecida se efectuó mediante
Microscopia Electrónica de Barrido, MEB, con el empleo de
un microscopio electrónico de barrido marca Philips modelo
XL 30, a través del cual se identificó la morfología y análisis
químico puntual por EDS.
Procesos tecnológicos:
Estudio de la influencia del agua utilizada en la
preparación de las piezas de arcilla cocida bajo diferentes
condiciones de procesamiento tecnológico: Se prepararon 4
pastas cerámicas con las distintas aguas utilizadas en el
proceso; de estas pastas se amasaron 25 kg de cada una con
aproximadamente el 22 % de humedad, en una mezcladora de
paleta hasta obtener una masa homogénea. En la Tabla 2 se
presentan los códigos de reconocimiento asignados.
Con estas pastas se elaboraron por extrusión con vacío cerca
de 70 ladrillos de cada una, con unas dimensiones de 10 x 5
cm, obteniéndose un total de 280 piezas entre las cuatro pastas.
Se tomaron 10 ladrillos de cada una de estas pastas para ser
sometidos a los distintos procesos tecnológicos de secado y
cocción, según se indica en la Tabla 3.
Las piezas elaboradas e identificadas de acuerdo con la
codificación de la Tabla 3 fueron sometidas a un proceso
controlado en laboratorio de secado (110 ºC por 24 horas) y
cocción (ciclo de cocción de 8 horas en horno eléctrico hasta
850 ºC, con media hora a la temperatura máxima de cocción).
De la misma forma, las piezas fueron sometidas a dos procesos
industriales de secado y cocción: Secado industrial lento en
cámaras de secado durante 48 horas mínimo, hasta una
temperatura máxima de 80 °C. Cocción industrial lenta llevada
a cabo en hornos pampas con un ciclo de cocción de 5 a 7 días
incluido el calentamiento, la meseta de cocción y la
temperatura máxima de sinterización hasta aproximadamente
800-850 °C. Secado industrial rápido en un secadero rápido
continuo tipo monoestrato, el cual efectúa el proceso durante
un tiempo máximo de 1 hora 45 minutos alcanzando una
temperatura máxima de 100-110 °C. Cocción industrial rápida
en un horno túnel con un incremento y enfriamiento
progresivo y controlado de la temperatura, entre 36 y 72 horas,
hasta aproximadamente 850-900 ºC.
Tabla 2. Códigos de las pastas elaboradas
Pastas
Elaboradas
Materias Primas Código
Pasta I Arcillas AV + Agua Desmineralizada AV-D
Pasta II Arcilla AV + Agua Hidrocapital AV-H
Pasta III Arcilla AV + Agua Pozo AV-P
Pasta IV Arcilla AV + Agua Pozo Profundo AV-PP
Tabla 3. Procesamientos tecnológicos y códigos asignados Piezas Procesamiento Código
10 Secado y Cocción en Laboratorio SCL
10 Secado y Cocción lento industrial (Planta industrial
Guarenas)
SCG
10 Secado y Cocción rápido industrial (Planta industrial
Caucagua)
SCC
10 Secado lento (Guarenas) y Cocción rápido industrial
(Cancagua)
SGCC
10 Secado rápido (Caucagua) y Cocción lenta industrial
(Guarenas)
SCCG
10 Secado en Laboratorio y Cocción rápida industrial
(Caucagua)
SLCC
10 Secado en Laboratorio y Cocción lenta industrial (Guarenas) SLCG
Posteriormente todas las piezas fueron sometidas al proceso de
determinación de la capacidad de eflorecer de ladrillos de
arcilla cocida, de acuerdo con la Norma UNE 67 029:95,
método en el que se provoca un arrastre de las sales solubles
contenidas en el ladrillo hacia su cara vista. Luego, se realizó
la calificación del grado de eflorescencia de cada ladrillo en
cuanto a su capacidad de eflorescer, lo cual se realiza en
función del impacto visual que dicho efecto produce sobre la
cara vista de la pieza. Esto permite realizar una combinación
de la intensidad con el porcentaje total de superficie de la cara
vista afectada que va, desde piezas no eflorescidas o
ligeramente eflorescidas hasta piezas muy eflorescidas. En
función de la intensidad se distinguen las siguientes clases:
Velo fino: capa muy fina y semitransparente solo
discernible por comparación con el patrón.
Velo grueso: capa fina con cierta transparencia.
Mancha: capa de espesor variable y opaco.
En la Tabla 4 se puede ver la calificación, de acuerdo con la
combinación de la intensidad con el porcentaje total de
superficie de la cara vista afectada.
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Tabla 4. Calificación de ladrillos según la intensidad y superficie afectada
Intensidad Superficie Afectada
>25% >5%hasta 25% <5%
Velo fino Ligeramente
eflorescido No eflorescido
No
eflorescido
Velo grueso
Eflorescido Ligeramente eflorescido
Ligeramente eflorescido
Mancha Muy
eflorescido Eflorescido
Ligeramente
eflorescido
Finalmente se realizó la identificación básica de la naturaleza
de las sales solubles activas en las piezas de arcilla cocida. Se
tomó una muestra del ladrillo eflorecido y en la zona de la
eflorescencia se hizo la determinación de las fases
mineralógicas cristalinas que componen la eflorescencia,
mediante el método de difracción de rayos X. Asimismo, se
realizó la identificación morfológica y la determinación de la
composición de las piezas eflorecidas mediante microscopía
electrónica de barrido y análisis químico puntual por EDS.
4. RESULTADOS
Valoración de las características cerámicas de las materias
primas.
En la Tabla 5 se presentan los resultados de la caracterización
física inicial de la materia prima AV. En general, se observa
que la muestra analizada presenta bastante homogeneidad en
cuanto a su coloración, constitución y su sensación al tacto, lo
que nos anticipa un importante margen de trabajabilidad.
En la Tabla 6 se describen los resultados obtenidos de la
evaluación de la fracción granulométrica gruesa de la arcilla
AV. Se puede observar cómo la arcilla presenta una
proporción superior al 75 % de partículas inferiores a 45 µm,
lo que da una clara indicación de que esta materia prima está
constituida predominantemente por una fracción franco-
arcillosa. Las partículas retenidas superiores a los 150
micrones, son en su mayoría material inerte con fuerte
presencia de calcita (CaCO3) y grava.
En la Tabla 7 y en la Fig. 4 se describen los resultados
obtenidos de la evaluación de la fracción granulométrica fina
de la arcilla AV. Se refleja que esta arcilla presenta un
diámetro promedio de partícula (8.6 μm) propio de una materia
prima de uso en alfarería, de naturaleza arcillosa pura. Así
mismo, la superficie específica da claros indicios de que la
muestra posee importantes proporciones de partículas muy
finas que tienen influencia predominante en la plasticidad de
la materia prima y de las pastas en estudio.
Tabla 5. Caracterización física inicial de la materia prima AV.
Propiedades Físicas Arcilla AV
Estado de entrega Triturada
Sensación al tacto Untuosa
Consistencia Firme
Textura Arcillosa
Color en estado natural Marrón claro
Color de beneficiado Marrón
Humedad Inicial (%) 12
Tabla 6. Análisis granulométrico por tamizado de la materia prima AV.
Malla ASTM Retenido en Malla ASTM
Nª Diámetro (um) Retenido (%) Observaciones
100 ∅ > 150 12.3 Grava, calcita.
140 150 > ∅ > 106 2.9 Calcita, piedras, arena
gruesa
200 106 > ∅ > 73 2.1 Fracción franco
arenosa
270 73 > ∅ > 53 1.9 Fracción franco
arenosa
325 53 > ∅ > 45 1.1 Arena franco limosa
Total Retenido ∅ > 45 20.3
Total Pasan ∅ < 45 79.7
Tabla 7. Diámetros medios granulometría láser de la arcilla AV
Muestra 𝑫𝟏𝟎
(𝝁𝒎) 𝑫𝟓𝟎
(𝝁𝒎) 𝑫𝟗𝟎
(𝝁𝒎) Modal
(𝝁𝒎) S.E
(𝒎𝟐/𝒈) AV 2.2 8.6 27.9 9.6 0.5
Donde:
D10: Diámetros de menor tamaño los cuales representan el 10% de granos acumulados.
D50: Diámetro promedio o diámetro al 50 % d acumulados.
D90: Diámetros de mayor tamaño los cuales representan el 90% de granos acumulados.
Modal: Tamaño de grano más predominante en la muestra.
S.E.: Superficie específica.
Figura 4. Granulometría láser de la arcilla AV.
La fracción granulométrica inferior a 45 µm de la arcilla AV
presenta una distribución unimodal muy bien marcada, con
una proporción del 10 % en la zona más fina inferior a 2.2
micrones de tipo arcilloso y del 90 % en la zona gruesa inferior
a 27.9 micrones tipo arcilloso limoso, proporciones que se
consideran muy buenas para la elaboración de piezas de arcilla
cocida. El ataque de la materia orgánica con él peróxido de
hidrógeno al 35 %, revela una reacción moderada en la arcilla
lo que indica la poca presencia de materia orgánica. Asimismo,
la descarbonatación de la calcita por ataque con HCl al 10 %
ácido, indica cualitativamente la importante presencia de ésta
en las materias primas, debido a la fuerte reacción de
efervescencia producida.
Determinación de sales solubles: En la Tabla 8 se tiene la
relación cuantitativa de los elementos determinados en la
arcilla AV y en las aguas analizadas, utilizadas en distintos
procesos de producción industrial de piezas de arcilla cocida.
Comparando los resultados con los valores máximos deseables
y aceptables de acuerdo con las normas sanitarias de calidad
del agua potable, la valoración de la calidad de las aguas
evidencia la presencia importante de sales solubles que
influyen en la aparición de las eflorescencias en piezas de obra
limpia o cara vista. En el análisis de las sales solubles presentes
en las aguas se puede observar que las aguas de pozo presentan
mayor contenido de sales solubles que el agua de hidrocapital,
19
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
por lo que en el proceso industrial cuando se ven en la
necesidad de utilizar esta agua, están introduciendo mayor
cantidad de sales solubles durante el conformado de piezas. De
hecho se evidencia que los valores de dureza total, cloruros y
sulfatos del agua de hidrocapital están muy por debajo de los
valores máximos aceptables y por debajo de los valores
deseables.
En la Tabla 9 se describen los resultados obtenidos de la
evaluación química de la arcilla AV. En arcillas alfareras el
porcentaje de sílice suele oscilar entre 45 y 55 %; por encima
del 60 %, el porcentaje puede resultar excesivo y peligroso.
Asimismo la proporción de alúmina se encuentra entre el
10-20 %, valor aceptable para este tipo de producto.
Tabla 8. Relación cuantitativa de las sales solubles.
Parámetros
Valo
r d
ese
ab
le <
X
Va
lor M
áxim
o a
cep
tab
le <
x
Ag
ua d
e l
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la
Agu
a
Desm
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da
Agu
a
Hid
roca
pit
al
Gu
aren
as
Agu
a d
e P
ozo
Agu
a d
e P
ozo
Profu
nd
o
Temperatura (ªC) - - 22 22 22 22 22
pH 6.5 9 7.5 7.2 8.2 7.7 7.9
Conductividad
(𝜇𝑠/𝑐𝑚) 500 500 200 18.80 552 1140 1205
Dureza Total
(𝐶𝑎𝐶𝑂3𝑚𝑔/𝐿) 250 500 43 18 221 444 481
Dureza Cálcica
(𝐶𝑎𝐶𝑂3𝑚𝑔/𝐿) - - 30 2 70 134 180
Cloruros (mg/L) 250 300 18 ND* 47 63 59
Sulfatos (mg/L) 250 500 25 ND* 126 387 392
ND*: No Determinado
Tabla 9. Análisis químico de la arcilla AV.Muestra %Al2O3 %SiO2 %Fe2O3 %CaO %MgO %K2O %Na2O %P.F
Arcilla
AV 15.8 47.78 12.27 7.67 2.95 1.28 1.07 11.23
Con respecto al óxido de hierro, para las arcillas de uso en
alfarerías se acepta hasta un 10 % como porcentaje máximo,
lo que indica que la arcilla se encuentra por encima. Este hierro
puede presentarse en dos estados de oxidación: como ferroso
FeO (menos oxidado) y como férrico Fe2O3 (más oxidado). El
hierro también se puede encontrar en forma de sulfuro de
hierro, FeS2 (pirita) o FeS2 (marcasita), es decir, como hierro
ferroso. Si estas arcillas se procesan inmediatamente después
de su extracción, las piritas se queman entre los 450 y los 500
ºC y el azufre se elimina por la chimenea del horno en forma
de SO2 o SO3. Luego, si se dejan expuestas a la intemperie, se
produce la oxidación tanto de la sustancia orgánica como de
los sulfuros presentes. Dichos sulfuros dan lugar a la
formación de sulfatos solubles generadores de eflorescencias
como: FeSO4, CaSO4, K2SO4, MgSO4.
Durante la cocción, el MgCO3 se descompone a partir de los
600 °C, mientras que el CaCO3 lo hace a partir de los 700 °C,
liberando CO2 y quedando en el interior de la pieza un residuo
blanco de CaO (óxido de calcio) u MgO (óxido de magnesio).
La reacción es la siguiente:
CaCO3 → CaO + CO2↑ (1)
MgCO3 → MgO + CO2↑
El MgO y CaO así formados reaccionan con la sílice presente
en la arcilla, dando MgSiO3 (silicato de magnesio) y CaSiO3
(silicato de calcio o pseudowollastonita). Los cristales de
silicato de calcio o magnesio constituyen una especie de
esqueleto o estructura cristalina interna que aumenta la
resistencia a la deformación de la pieza cocida, así como su
resistencia mecánica en frío. En las arcillas alfareras, cuando
el porcentaje de CaO es igual o mayor del 8 %, se consideran
arcillas ricas en cal, lo que aplica para este caso.
Cuando se tiene una cocción insuficiente o de un bajo
contenido en sílice libre, el óxido de calcio formado durante la
descomposición del carbonato de calcio no se llega a ligar
químicamente con la arcilla, entonces la pieza cocida, a la
salida del horno, contendrá CaO libre. Al mojar el ladrillo para
su puesta en obra o durante su almacenamiento en el patio,
dicho óxido se disuelve en el agua, siendo arrastrado en forma
de hidróxido de calcio hasta la superficie de la pieza, donde
forma una eflorescencia blanca de carbonato de calcio, como
resultado de la combinación del Ca (OH)2 con el CO2 de la
atmósfera. Las reacciones que ocurren son las siguientes:
CaCO3 → CO2 + CaO
CaO + H2O → Ca (OH)2 (2)
Ca (OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
Evaluación mineralógica.
En la Tabla 10 se presentan las fases mineralógicas que
componen la arcilla AV sedimentada.
Tabla 10. Fases cristalinas presente en la AV (sedimentada).
Muestra: Arcilla AV (sedimentada)
Montmorillonita (13-0259 ICDD)
Pico alto fuerte 13.54 A, presenta picos bien definidos. Fase primaria
Caolinita
(24-1488 ICDD)
Pico alto fuerte 6.99 A, presenta picos bien
definidos. Fase secundaria
Paragonita (24-1047 ICDD)
Pico principal corto a 3.18 A, presenta picos bien definidos. Fase secundaria
Calcita (CaCO3)
(290305 ICDD)
Pico principal corto y fino a 3.01 A, presenta picos
bien definidos. Fase secundaria.
Illita (43-0685 ICCD)
Pico principal corto y ancho a 2.54 A, presenta picos cristalinos. Fase secundaria.
Se observa que la arcilla AV presenta principalmente
naturaleza montmorllonítica-caolinítica, aspecto que se
corresponde con el excelente margen plástico de trabajabilidad
y las proporciones de partículas finas determinadas.
Asimismo, se evidencia la presencia de calcita, mineral
inductor del defecto de eflorescencia en piezas de arcilla
cocida.
Determinación de la capacidad de eflorescencia en ladrillos
de arcilla cocida, de acuerdo con la norma UNE 67 029:95
en función del proceso tecnológico.
20
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En la imagen de la Fig. 5 se muestra el montaje del ensayo de
eflorescencia. Se evidencia la disposición de las muestras
antes del ensayo, las muestras en reacción sumergidas en agua,
las muestras al finalizar el período de reacción y después de
ser sometidas a un secado controlado de siete (7) días.
En la Tabla 11 se presenta la evaluación del grado de
eflorescencia determinado de acuerdo con el porcentaje de
superficie afectada indicado en la Tabla 4.
De acuerdo a los resultados obtenidos en el ensayo de
eflorescencia se puedo observar lo siguiente:
En la primera columna correspondiente a piezas
elaboradas con agua desmineralizada, se observaron los
porcentajes más bajos (entre 5 % - 20 %) de superficie
afectada, esto debido al uso de un agua libre de sales
solubles.
En los resultados obtenidos de las piezas elaboradas con
el agua de hidrocapital (dureza total 221 mg/L y sulfato
126 mg/L), se pudo observar una mayor tendencia a la
eflorescencia comparándola con las piezas elaboradas
con agua desmineralizada (libre de sales).
Para el caso de las piezas elaboradas con las aguas de
pozo (dureza total 444 mg/L y sulfato 387 mg/L) y pozo
profundo (dureza total 481 mg/L y sulfato 392 mg/L),
que son las que tienen mayor contenido de sales solubles,
se pudo observar la mayor tendencia a la eflorescencia al
compararlas con el agua desmineralizada.
En cuanto al tipo de procesamiento tecnológico, se pudo
observar en los resultados de la primera fila de secado y
cocción a nivel de laboratorio, un velo fino con el uso de
las diferentes aguas, esto debido al uso de estufa y hornos
eléctricos libres de gases, que dificultan la aparición del
defecto.
En la siguiente fila de secado lento y cocción lenta
(industrial), se observó la aparición de velo grueso y
manchas. Viendo así cómo el procesamiento industrial
induce el defecto de eflorescencia. Lo que deja ver cómo
los gases de combustión de las etapas de secado y cocción
favorecen la formación de eflorescencia.
En cuanto al secado rápido y cocción rápida (industrial),
es el tipo de procesamiento donde se acentúa más el
defecto de eflorescencia (hasta un 50 % superficie
afectada). Esto debido a que la cocción es muy rápida y
durante el proceso de descarbonatación del CaCO3, el
CaO no se logra disolver en la matriz (SiO2-Al2O3), por
lo que al mojar el ladrillo, dicho óxido se disuelve en el
agua, y es arrastrado en forma de Ca (OH)2 que al estar
en contacto con el CO2 de la atmósfera forma CaCO3
(formador de eflorescencia).
Para el caso donde se alterna el procesamiento de secado
lento con la cocción rápida (industrial), comparadas con
secado en laboratorio y cocción rápida industrial, se
observa que estos dos grupos presentan el mismo
comportamiento entre ellos, pero se ve atenuado el
defecto comparándolo con el caso anterior, el porcentaje
de superficie afectada más alto es de 20 % para ambos
casos.
El otro caso donde se alterna el procesamiento de secado
rápido con la cocción lenta (industrial), comparadas con
el secado en laboratorio y cocción lenta (industrial), se
observa que estos dos grupos presentan el mismo
comportamiento entre sí, con la diferencia con respecto
al grupo anterior que la cocción lenta disminuye aún más
el defecto de eflorescencia. Para este caso, la proporción
de superficie afectada más alta es de 10 %.
Evaluación mineralógica.
A fin de identificar la naturaleza de las sales solubles activas
en las piezas de arcilla cocida, se tomó una muestra del ladrillo
en la zona de eflorescencia y se determinaron las fases
mineralógicas que la componen, observándose como se indica
en la Tabla 12 que la fase CaCO3 se presenta como fase
principal.
En la micrografía de MEB de la Fig. 6 realizada al ladrillo
cocido en la zona eflorescida, se pudo observar la presencia de
cristales de carbonato de calcio, lo que se corrobora con el alto
porcentaje de CaO (40,57 %) obtenido en el análisis químico
puntual por EDS, mostrado en la Tabla 13.
Tabla 12. Fases cristalinas presentes en la zona eflorescida del ladrillo.
Muestra: Arcilla Venezuela (sedimentada)
Cuarzo (46-1045 ICDD)
Pico alto fuerte 3,22 A, presenta picos bien definidos. Fase secundaria
Calcita (CaCO3)
(290305 ICDD)
Pico principal fino a 3.02 A, presenta picos bien
definidos. Fase principal
Paragonita (24-1047 ICDD)
Pico fino 3,16 A, presenta buena cristalinidad. Fase secundaria
Tabla 13. Análisis químico por EDS de la zona afectada por eflorescencia en
el ladrillo. Muestra %Al2O3 %SiO2 %Fe2O3 %CaO %MgO %K2O %Na2O
Zona
eflorescida 13.95 30.62 7.75 40.57 3.46 1.90 1.76
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Influencia de las Variables de Procesamiento Tecnológico Industrial en la Aparición del Defecto de Eflorescencia en Piezas de Arcilla Cocida _________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 2
Figura 5. Piezas sometidas al ensayo de Eflorescencia: (a) Disposición de las muestras para el ensayo de
eflorescencia, (b) Muestras sumergidas en agua destilada provista de un sistema de cierre que solo deja al descubierto la cara vista, (c) Muestras húmedas después de transcurridos los siete (7) días de inmersión en agua, (d) Muestras
secas después de transcurrido los 7 días después de sacarlas del agua.
Tabla 11. Resultado del ensayado de eflorescencia de acuerdo al proceso tecnológico y agua de producción utilizada.
Condiciones de Secado y
Cocción
Agua Desmineralizada
AV-D
Agua Hidrocapital
AV-H
Agua de Pozo
AV-PP
Agua de Pozo Profundo
AV-PP
Superficie
Afectada Valoración
Superficie
Afectada Valoración
Superficie
Afectada Valoración
Superficie
Afectada Valoración
Secado y cocción controlada en
laboratorio
No presento
eflorescencia 5 % Velo fino 5 % Velo fino 5 % Velo fino
Secado y cocción lento
industrial 8 % Velo grueso 30 % Mancha 24 % Velo grueso 30 % Mancha
Secado y cocción rápido
industrial 20 % Velo grueso 50 % Mancha 50 % Mancha 50 % Mancha
Secado lento y cocción rápido
industrial 7 % Velo grueso 10 % Velo grueso 15 % Velo grueso 20 % Velo grueso
Secado rápido y cocción lenta
industrial 9 % Velo grueso 7 % Velo grueso 9 % Velo grueso 10 % Velo grueso
Secado en laboratorio y
cocción rápida industrial 9 % Velo grueso 9 % Velo grueso 13 % Velo grueso 20 % Velo grueso
Secado en laboratorio y
cocción lenta industrial 5 % Velo fino 9 % Velo grueso 9 % Velo grueso 10 % Velo grueso
Imágenes representativas del
defecto
Probeta con Velo grueso (20 %) Probeta con mancha (50%) Probeta con mancha (50%) Probeta con mancha (50%)
Figura 6. Micrografía (a) Ladrillo en la zona sin eflorescencia (b) Ladrillo zona afectada por eflorescencia
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5. CONCLUSIONES
En esta investigación, sobre la evaluación de la aparición del
defecto de eflorescencia en piezas de arcilla cocida, se pudo
observar que tanto la cantidad de sales solubles presentes en la
materia prima utilizada durante el conformado de las piezas,
como la combinación de las variables del procesamiento
tecnológico pueden favorecer o dificultar la aparición de este
defecto. Una vez analizada estas variables se pudo concluir lo
siguiente:
La materia prima estudiada dentro de su composición presenta
un 8 % de CaO, porcentaje que promueve la aparición de las
eflorescencias.
El agua de Hidrocapital, presenta menos contenido de sales
solubles (dureza total 220mg/L y sulfatos 126 mg/L) que las
aguas de pozo (dureza total 480 mg/L y sulfatos 390 mg/L),
por lo que al usar estas últimas en el proceso de amasado de la
pasta, se tiene mayor tendencia de inducir el defecto de
eflorescencia.
De acuerdo con el ensayo de eflorescencia de la norma UNE
67-029 95, las aguas utilizadas a nivel industrial (Hidrocapital,
pozo y pozo profundo) acentúan la aparición del defecto.
El secado en estufa y cocción en horno eléctrico, donde las
atmósferas son libres de gases y humos, dificultan la aparición
del defecto.
El secado y cocción rápido acentúan la aparición del defecto
de eflorescencias, se observa que bajo estas condiciones es
donde se obtienen los mayores porcentajes de superficie
afectada (50 %), obteniéndose una calificación del ladrillo
como muy eflorescido.
La interacción de los procesos secado rápido y cocción lento
industrial minimiza la aparición del defecto de eflorescencia.
Se determinó por medio del ensayo de DRX y MEB-EDS,
realizado a las piezas cocidas sobre la zona eflorescida, que los
velos de eflorescencias presentes en las piezas analizadas son
sales solubles de calcita, proveniente del carbonato de calcio
presente en la arcilla.
RECONOCIMIENTOS
La Ingeniero Silvia Grimán agradece al Centro de Asistencia
a la Industria Cerámica, CAIC, y al equipo de profesores de la
especialidad de Cerámica del IUT-FRP de Venezuela por
todos sus aportes y colaboración técnica y tecnológica.
Asimismo, el Dr. Rafael Uribe agradece que este trabajo
científico ha sido financiado en parte por el Proyecto
PROMETEO de la Secretaría Nacional de Ciencia, Tecnología
e Innovación del Ecuador.
REFERENCIAS
[1]. Actualización Tecnológica. “Evaluación de las causas de la
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Obtención de Carbón Activado a partir de Residuos Lignocelulósicos de Canelo, Laurel y Eucalipto ______________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
1. INTRODUCCIÓN
La creciente preocupación mundial sobre la contaminación
ambiental ha llevado a los científicos de las últimas décadas a
buscar alternativas para el tratamiento de efluentes
contaminados con metales pesados [17]. Actualmente el
método más empleado es la precipitación. Sin embargo, este
método genera un problema en el manejo de desechos sólidos
[2].
Por esto, se ha buscado nuevas alternativas entre las que se
destaca la adsorción, que es un fenómeno en el cual las
partículas se quedan atrapadas en la superficie del material
adsorbente [12]. La adsorción es reconocida por su fácil
aplicación, bajo costo y alta eficiencia de remoción [17]. El
principal material empleado en este procedimiento y el más
estudiado durante años es el carbón activado [1].
El carbón activado es un material de elevada área superficial,
estructura microporosa, sencilla regeneración y una química
de superficie que permite la formación de una capa de
partículas debido a la presencia de grupos carboxílicos,
fenólicos, cetonas, quinonas, hidroquinonas y aldehídos que
le dan la característica de material adsorbente [4]. Las
propiedades del carbón activado dependen del material a
partir del cual se obtuvo y su estructura será distinta en
función de la materia prima que lo generó. El carbón activado
tiene varias aplicaciones industriales entre las que destaca el
tratamiento de efluentes, que en combinación con otras
técnicas como la rizofiltración y la precipitación química
permiten alcanzar los valores permisibles para los diferentes
materiales contaminantes en aguas residuales [15].
El carbón activado también se puede aplicar en procesos de
recuperación de solventes, eliminación de colorantes, así
Obtención de Carbón Activado a partir de Residuos
Lignocelulósicos de Canelo, Laurel y Eucalipto
Asimbaya C.*; Rosas N.*; Endara D.**; Guerrero V.H.***
*Escuela Politécnica Nacional, Departamento de Materiales, Laboratorio de Materiales Cerámicos, Quito, Ecuador
e-mail: [email protected]; [email protected]
**Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Química, Quito, Ecuador
e-mail: [email protected]
***Escuela Politécnica Nacional, Departamento de Materiales, Laboratorio de Nuevos Materiales, Quito, Ecuador
e-mail: [email protected]
Resumen: Se obtuvo carbón activado a partir de 3 tipos de aserrín de madera: laurel, canelo y eucalipto, mediante
activación química. El proceso de activación consistió en impregnar al aserrín con ácido fosfórico al 40 % w/w en
proporción 1:1, posteriormente el material se carbonizó a 500 °C durante 2 h y finalmente fue lavado para eliminar
los residuos de ácido y alcanzar un pH neutro. Se obtuvo el mayor rendimiento con el laurel (29.3 %) para un
tamaño de partícula mayor a 2 mm. Mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) se observaron las
estructuras porosas que se formaron a partir del proceso de activación. La capacidad de adsorción se evaluó
mediante el índice de yodo, donde se obtuvo que el canelo presenta el mayor valor correspondiente a 740 mg I2/g
para la muestra de tamaño de partícula entre 74 y 150 µm. Con base en los resultados obtenidos se puede evidenciar
que para una misma variedad de madera, a menor tamaño de partícula, aumenta la capacidad de adsorción.
Palabras clave: Carbón activado, índice de yodo, activación química, residuos lignocelulósicos
Abstract: Laurel, canelo and eucalyptus were used to produce activated carbon by chemical activation. The
activation process consisted in impregnate sawdust with phosphoric acid 40 % w/w in a ratio 1:1, then the material
was carbonized at 500 °C for 2 h and finally it was washed to remove residual acid to reach a neutral pH. The laurel
wood with particle size greater than 2 mm reached the highest yield 29.3 %. Scanning electron microscopy (SEM)
was used to observe the porous structures formed by the activation process. The iodine adsorption capacity was
evaluated and it was found that the canelo has the highest adsorption of iodine number corresponding to 740 mg
I2/g for the sample with particle size between 74 to 150 microns. Based on the results obtained, it can be
demonstrated that, for the same types of wood, a smaller particle size increases the sorption capacity.
Keywords: Activated carbon, iodine number, chemical activation, lignocellulosic waste
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
como, también en la reducción de malos olores a partir del empleo de filtros de carbón activado [5].
El carbón activado se obtiene a partir de materiales orgánicos
que contengan un elevado contenido de carbono y baja
cantidad de cenizas [5] como cáscaras y residuos de frutas,
cuescos de nueces y desechos agrícolas de origen maderero
[14]. Entre estos últimos se destaca el aserrín, el cual,
presenta la capacidad de remover sustancias indeseadas del
agua debido a la presencia de la lignina de su pared celular
[20]. Se considera que el aserrín es el material
lignocelulósico más prometedor en este campo debido a su
bajo costo, gran capacidad de adsorción y facilidad de
adquisición, además de ser un desecho industrial al que se le
puede dar valor agregado y que a su vez se contribuiría a
reducir el costo de tratamiento de este desecho sólido [17].
La obtención de carbón activado se puede llevar a cabo
mediante métodos físicos o químicos. El método físico
consiste en la carbonización de la materia prima en una
atmósfera inerte a temperaturas cercanas a los 1000 °C. El
método químico se realiza mediante la impregnación de un
agente activante como el ZnCl2, KOH o H3PO4 seguida de
una calcinación a temperaturas próximas a los 600 °C [6].
Actualmente se prefiere emplear H3PO4 como agente
activante frente al ZnCl2 debido a que este último genera
significativos problemas de contaminación medioambiental.
Mientras que, por otro lado el KOH es un agente de
activación ideal cuando se tiene materiales con alto contenido
de carbón y bajo contenido de volátiles como por ejemplo
carbón mineral [11]. Las ventajas de la activación por el
método químico implican menor gasto energético, menor
tiempo de activación, un mayor rendimiento y permite
obtener carbones con mayor área superficial y
microporosidad [14].
Uno de los métodos empleados para la determinación de la
capacidad de adsorción del carbón activado es el índice o
número de yodo. Este índice se define como la cantidad en
miligramos de yodo que es adsorbido por un gramo de
carbón. Para que un carbón activado sea considerado como
comercial, debe tener un valor de índice de yodo de al menos
500 mg I2/g carbón. Este ensayo se encuentra especificado de
acuerdo con la norma ASTM D4607-86 [3].
Otra de las técnicas con las que se puede caracterizar al
carbón activado es la microscopía electrónica de barrido
(SEM), mediante la cual se puede apreciar la formación de
las estructuras porosas dentro del material. La espectroscopía
infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) permite
identificar los grupos funcionales superficiales que le dan al
carbón la característica de material adsorbente al igual que la
Titulación Boehm [13]. El método de Brunauer, Emmett y
Teller (BET) permite la determinación del área superficial,
así como también el volumen y tamaño de poros. Finalmente,
para complementar el estudio del carbón activado se realizan
isotermas de adsorción que permiten determinar el equilibrio
que alcanzan los materiales adsorbentes.
El carbón activado puede ser empleado por varias ocasiones,
sin embargo, su capacidad de remoción se deteriora
gradualmente en cada uso. Una vez saturado, el carbón
activado tiene tres alternativas de tratamiento: la
regeneración, la reactivación o el almacenamiento. Sin
embargo, la reactivación implica un costo elevado debido a la
cantidad de energía que se debe emplear con la finalidad de
alcanzar las temperaturas necesarias para eliminar los
contaminantes. Por otro lado, la regeneración consiste en la
remoción del contaminante del carbón lo que genera
nuevamente un problema de manejo del contaminante. Si las
alternativas anteriores no son factibles se deberá proceder al
confinamiento del carbón [6].
El objetivo de este trabajo es determinar la influencia del
tamaño de partícula en la obtención de carbón activado y su
capacidad de adsorción. La capacidad de adsorción se
determina mediante el índice de yodo.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Materiales y Reactivos
Para llevar a cabo este proyecto se empleó sustancias de
grado reactivo. Se utilizó ácido fosfórico al 85 % (H3PO4),
ácido clorhídrico (HCl), tiosulfato de sodio pentahidratado
(Na2S2O3.5H2O), yodo resublimado (I2), yoduro de potasio
(KI), yodato de potasio (KIO3) y almidón soluble. Como
materia prima se utilizaron residuos lignocelulósicos (aserrín)
de laurel, eucalipto y canelo, los cuales fueron adquiridos en
un aserradero al sur de la ciudad de Quito.
2.2 Elaboración de los carbones activados
2.2.1 Acondicionamiento de las materias primas
Los residuos lignocelulósicos recolectados fueron sometidos
a un proceso de reducción de tamaño de partícula mediante
un molino de cuchillas. Posteriormente, se realizó una
clasificación de acuerdo al tamaño de partícula mediante un
arreglo de tamices, de los cuales se tomaron las fracciones
correspondientes a los tamaños 2 mm – 2 cm (virutas) y 74 -
150 µm (malla ASTM #100 - #200) con la finalidad de
analizar la influencia del tamaño en la capacidad de
adsorción del carbón activado obtenido. Estas fracciones se
seleccionaron considerando las cantidades obtenidas después
del tamizado. El material separado se lavó con agua destilada
y posteriormente se secaron a 103 ± 2 °C durante 12 horas.
2.2.2 Impregnación con ácido fosfórico
Inicialmente se preparó una solución de ácido fosfórico al 40
% w/w. A continuación, se pesó 50 g de material
lignocelulósico en un recipiente previamente tarado. A este
se le adicionó ácido fosfórico al 40 % en una relación en
masa 1:1; es decir, por cada gramo de aserrín, se agregó 1
gramo de ácido con el fin de obtener un mayor rendimiento
de carbón activado. Cabe mencionar que el uso de
concentraciones superiores puede conducir a un uso poco
efectivo del ácido, asociado con un mayor potencial de
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contaminación. La relación másica de material
lignocelulósico: agente de activación constituye uno de los
factores que se puede optimizar [10]. Sin embargo, se puede
emplear una relación de ácido fosfórico/aserrín de hasta 1:5
considerando que el cambio en las proporciones da lugar a la
obtención de carbones activados con distintas propiedades
[11]. El aserrín y el ácido se mezclaron vigorosamente hasta
que el primero se humedezca completamente. Finalmente, se
cubrió el recipiente con un film plástico y se dejó impregnar
durante 24 h.
2.2.3 Activación mediante carbonización
Una vez realizada la impregnación, se llevaron las muestras a
una mufla eléctrica para realizar la carbonización. Se elevó la
temperatura hasta los 500 °C a una tasa de calentamiento de
10 °C/min, se mantuvo a esta temperatura durante 2 h.
Transcurrido el tiempo, se dejó enfriar el horno, luego se
retiraron los carbones obtenidos y se los llevó a un desecador
para que se enfríen hasta alcanzar la temperatura ambiente.
Después de haber sido enfriados, se les realizó lavados
sucesivos con agua destilada caliente para eliminar el ácido
fosfórico residual y alcanzar un valor de pH entre 6 y 7.
Finalmente, se secaron los carbones resultantes a una
temperatura de 103 ± 2 °C durante 12 horas y se enfriaron en
el desecador hasta alcanzar la temperatura ambiente.
2.3 Caracterización de los carbones activados
2.3.1 Microscopía electrónica de barrido
Se examinó la morfología de los carbones activados mediante
un microscopio electrónico de barrido (SEM) PSEM eXpress
de ASPEX.
2.3.2 Espectroscopia infrarroja con transformadas de
Fourier
Se identificaron los grupos funcionales en la superficie de las
muestras de los tres tipos de residuos lignocelulósicos y
también en los carbones activados obtenidos a partir de los
mismos. Para esto se empleó el espectrofotómetro infrarrojo
por transformadas de Fourier (FTIR) Perkin Elmer Spectrum
100, en un rango de número de ondas comprendida entre 400
hasta 4000 cm-1
.
2.3.3 Índice de yodo
Los ensayos de determinación del índice de yodo se
realizaron con base en la norma NTE INEN 1988:95. Este
número permite establecer la porosidad y el área superficial
del carbón activado. El ensayo consistió en pesar 1 g de
carbón activado pulverizado de tamaño inferior a 45 μm. Se
colocó la muestra en un matraz Erlenmeyer de 250 ml.
Luego, se añadió 10 ml de ácido clorhídrico al 5 % y se agitó
hasta que el carbón se humedezca completamente. La mezcla
fue calentada hasta la temperatura de ebullición y se mantuvo
a esta temperatura por 30 s.
A continuación, se dejó enfriar la mezcla hasta alcanzar la
temperatura ambiente. Se añadió 100 ml de la solución
estándar de yodo 0.1 N y se agitó vigorosamente durante
30 s. Inmediatamente se filtró el contenido del recipiente a
través de un papel filtro Whatman No. 2, se descartó los
primeros 20 - 30 ml de filtrado. Posteriormente, se tomó una
alícuota de 50 ml y se tituló con la solución estándar de
tiosulfato de sodio 0.1 N. Se realizó la titulación hasta que la
solución se tornó de un color amarillo pálido. Luego se
añadieron 3 gotas de la solución de almidón. Se continuó con
la titulación hasta que el color azul del indicador desapareció
y la solución se volvió completamente transparente. El índice
de yodo se determinó en función del volumen de tiosulfato de
sodio 0.1 N utilizado para la titulación.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La Fig. 1 muestra la composición de los 3 tipos de aserrín de
madera. Se puede apreciar que aunque se tratan de diferentes
tipos de madera y que los porcentajes obtenidos de sus
componentes son diferentes, se mantiene una misma
tendencia en su composición, es decir, que el componente
mayoritario son los materiales volátiles, seguidos de la
cantidad de carbón fijo, luego el porcentaje de humedad y
finalmente el contenido de cenizas. Con base en los
resultados obtenidos, se puede establecer el siguiente orden
según el porcentaje de carbón fijo: laurel (10.38 %) >
eucalipto (7.95 %) > canelo (5,89 %). Se puede estipular que
la cantidad de carbón activado resultante está en función de la
cantidad de carbón fijo, es decir, a mayor porcentaje de
carbón fijo en la muestra, mayor será el rendimiento del
carbón activado obtenido. Lo que corrobora el resultado
obtenido en la Fig. 1.
Figura 1. Composición de las maderas
Los rendimientos obtenidos en la producción de los carbones
activados se presentan en la Tabla 1. Se puede apreciar, que
el mayor rendimiento se obtuvo con el aserrín de laurel de
tamaño de partícula mayor a 2 mm, mientras que el menor
rendimiento se obtuvo al activar el canelo con un tamaño de
partícula entre 150 - 74 µm. Esto corrobora los resultados de
porcentaje de carbón fijo obtenidos en los ensayos de
composición de las maderas que se muestran en la Fig. 1.
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Estudios realizados para la obtención de carbón activado a
partir de otros tipos de desechos orgánicos como cáscaras de
naranjas, cascarillas de café y bagazo de caña indican
rendimientos de aproximadamente 40 %, 33 %, 35 %,
respectivamente [16].
Tabla 1. Rendimientos de los carbones activados producidos
Madera Tamaño de partícula Rendimiento (%)
Laurel > 2 mm 29.3
150 - 74 µm 20.6
Canelo > 2 mm 26.9
150 - 74 µm 19.8
Eucalipto > 2 mm 28.2
150 - 74 µm 20.2
En las Fig. 2(a) y 2(b) se observa las micrografías tomadas
mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) para el
laurel de tamaño mayor a 2 mm y 150 - 74 µm. En estas se
muestra la morfología del aserrín de laurel previo al proceso
de activación. Se puede observar las estructuras en forma de
fibras alargadas y la ausencia de cavidades o porosidades.
Las Fig. 2(c) y 2(d) corresponden a las micrografías de los
carbones activados obtenidos con un tamaño mayor a 2 mm y
74 - 150 µm. En estas micrografías se puede apreciar la
aparición de las estructuras porosas resultantes del proceso de
activación. Estos poros pueden ser el resultado de la
evaporación del agente de activación, la descomposición del
aserrín por la temperatura, una reacción química entre el
carbón y el agente activante, o simplemente puede tratarse
del espacio ocupado previamente por el agente de activación.
En la Fig. 2(c) se observa la presencia de una mayor cantidad
de porosidades. Sin embargo, al ser la muestra de mayor
tamaño, esta presenta menor cantidad de divisiones, por lo
que tendrá un menor número de estructuras porosas con
respecto a la muestra de tamaño 150 - 74 µm. Esto se puede
observar en la Fig. 2(d). Por este motivo, la muestra de
tamaño 74 - 150 µm tendrá mayor cantidad de estructuras
porosas y por ende tendrá una mayor área específica.
Figura 2. Morfología del laurel a 500 X (a) aserrín tamaño > 2 mm; (b) aserrín tamaño 74 - 150 µm; (c) carbón activado tamaño > 2 mm; (d) carbón
activado tamaño 74 - 150 µm
En la Fig. 3 se muestran los resultados de los ensayos de
índice de yodo realizados para los 3 tipos de aserrín de
maderas. En este caso, todas las muestras presentan un índice
de yodo superior a 500 mg I2/ g carbón, por lo que respecto a
su capacidad de adsorción son comparables con los carbones
activados que se comercializan. Se puede apreciar la
influencia del tamaño de partícula en la adsorción de yodo.
Las muestras con un tamaño de partícula entre 150 - 74 µm
presentan un mayor índice de yodo que las muestras con un
tamaño de partícula mayor a 2 mm, lo que indica una mayor
área específica para estos carbones.
Figura 3. Resultados del ensayo de índice de yodo
Con respecto a los tipos de maderas, se obtuvo un mayor
índice de yodo con el carbón activado elaborado a partir de
aserrín de canelo, lo cual indica que esta madera es el mejor
adsorbente, respecto a los otros 2 tipos de maderas
estudiadas.
Según la capacidad de adsorción de yodo se puede notar el
siguiente orden; para la fracción de tamaño 2 mm se tiene:
canelo (740 mg/g) > laurel (737 mg/g) > eucalipto (639
mg/g), en el caso de las muestras con tamaño de partícula 150
- 74 µm se tiene el siguiente ordenamiento: canelo (636
mg/g) > laurel (600 mg/g) > eucalipto (535 mg/g). Esto
implica que, para un mismo tipo de madera, se tendrá una
mayor capacidad de adsorción para aquellos carbones que
hayan sido obtenidos a partir de un menor tamaño de
partícula. Esto se debe a que a menor tamaño de partícula de
la materia prima, el área específica incrementa y por ende el
área de contacto es mayor, lo que mejora el fenómeno de
adsorción. La activación de carbón a partir de residuos
madereros por el método químico empleando ácido fosfórico
como agente activante permite obtener valores de índice de
yodo que fluctúan entre 450 y 505 mg/g, lo cual, es menor
que los obtenidos en este estudio [9]. Sin embargo, se debe
señalar que existen casos en los cuales se pueden usar
materiales lignocelulósicos para obtener carbones activados
con índices de yodo de entre unos 200 y 1100 mg/g [10].
Finalmente, debido a que el índice de yodo para el tamaño de
partícula de 2 mm se encuentra alrededor de los 700 mg/g, se
puede decir que el carbón activado obtenido tiene potencial
de ser comercializado. Así, existen carbones activados
granulares (como el de Sulfoquímica S.A.) que presentan un
índice de yodo de 800 mg/g.
La Fig. 4 muestra los espectrogramas FTIR superpuestos de
los tres tipos de madera que se utilizaron en el presente
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estudio. Se puede observar la variación del valor de la
longitud de onda que presentan los picos entre una y otra
madera es insignificante, lo que indica la presencia de los
mismos grupos funcionales. Se aprecia la presencia de picos
prominentes en el rango de 1800 a 1000 cm-1
característicos
de las estructuras principales de la madera: la celulosa, la
hemicelulosa y la lignina. Aquellos picos que se observan en
el rango de 3600 a 3200 cm-1
corresponden a los
estiramientos de los grupos (-OH) presentes en las estructuras
de la celulosa y la lignina [19].
Las bandas que se observan alrededor de 2930 cm-1
representan a los grupos (C-H) de las cadenas alifáticas. El
pico presente a 1643 cm-1
, podría representar al grupo (-C=O)
de una amida primaria. La banda que se encuentra a 1529 cm-
1 corresponde a los estiramientos de los grupos carbonilos (-
C=O). A los 1445 cm-1
se tiene picos que representan la
flexión simétrica de los grupos (CH3). De 1250 a 1200 cm-1
se tiene picos que representan los estiramientos de los grupos
(C-O) de la celulosa. Los picos que se observan a 1140 y
1040 cm-1
pueden ser representativos de los estiramientos de
los grupos (-SO3) y de los estiramientos de los grupos (C-O)
de los polisacáridos [21].
Figura 4. Espectro FTIR de las tres variedades de madera
En las Fig. 5, 6 y 7; se muestran los espectrogramas
infrarrojos obtenidos mediante el equipo de espectroscopia
infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) de los carbones
activados producidos a partir de los 3 tipos de maderas. Se
realizó el análisis en un rango de 400 a 4000 cm-1
. Debido a
la diferente naturaleza de las maderas, se puede observar una
ligera desviación en los valores de las longitudes de onda de
los picos.
Se tiene entre los picos más representativos: las bandas
correspondientes a (3524, 3584, 3522 cm-1
), estas son
atribuidas a los estiramientos vibracionales del (-OH) de los
grupos fenol de la celulosa [18]. La presencia de las bandas
de adsorción a (2919, 2908, 2906 cm-1
) que corresponden a
los estiramientos vibracionales simétricos y asimétricos de
los grupos (C-H) de moléculas alifáticas [8]. Las bandas a
(1552, 1524, 1646 cm-1
) se atribuyen a los estiramientos
vibracionales (C=O) y corresponden a grupos carbonilo y
carboxilo. Los picos en (1440, 1437, 1440 cm-1
) se asignan a
las vibraciones de tijereteo de los grupos (-CH2) [7]. Las
bandas a (999, 993, 993 cm-1
) se asocian al estiramiento del
grupo éter cíclico de la celulosa [14]. Las bandas de
adsorción a (790, 763, 792 cm-1
) son características de las
vibraciones de flexión de los grupos (C-H) [8]. Finalmente,
los picos correspondientes a las longitudes de onda de (455,
456, 459 cm-1
) son atribuidos a las vibraciones de flexión
fuera de plano del grupo (-OH) [7].
Figura 5. Espectro FTIR del carbón activado obtenido a partir de aserrín de canelo
Figura 6. Espectro FTIR del carbón activado obtenido a partir de aserrín de eucalipto
Figura 7. Espectro FTIR del carbón activado obtenido a partir de aserrín de
laurel
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4. CONCLUSIONES
Se logró obtener carbón activado mediante activación
química a partir de aserrín de canelo, laurel y eucalipto. El
rendimiento alcanzado para estos materiales se encuentra
entre 20 – 30 %. A nivel industrial el rendimiento de carbón
activado depende del tipo de madera y generalmente no
supera el 50 % [9].
Con el laurel se obtuvo el rendimiento más alto, este
corresponde a un 29.3 % para el tamaño de partícula
comprendido entre 74 y 150 µm y un porcentaje del 20.6 %
para la fracción de tamaño mayor a 2 mm.
El mejor adsorbente obtenido es el carbón activado producido
a partir del aserrín del canelo con un tamaño de partícula de
74 - 150 µm. Este presenta un índice de yodo de 740 mg I2/g
de carbón.
Todos los carbones activados obtenidos en este estudio
presentan valores de índice de yodo mayores al valor mínimo
considerado para su comercialización que es de 500 mg I2/g
de carbón.
Se puede comprobar que para una misma variedad de
madera, el índice de yodo de la muestra de tamaño 74 - 150
µm es superior a la de tamaño mayor a 2 mm. Es decir, que a
menor tamaño el área específica incrementa y esto mejora la
adsorción.
Debido a que el carbón activado puede ser empleado en
varios procesos de remoción, el ácido fosfórico residual de
los lavados puede ser recirculado o recuperado y al emplear
una materia prima (aserrín) calificada como desecho
industrial, se considera que el proceso de adsorción
empleando residuos lignocelulósicos además de ser factible
es relativamente amigable con el ambiente.
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[3] S. Altenor, B. Carene, E. Emmanuel, J. Lambert, J. Ehrthard, S. Gaspard, “Adsorption studies of methylene blue and phenol onto
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[6] T. Budinova, E. Ekinci, F. Yardim, A. Grimm, E. Björnbom, V.
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[14] D. Prahas, Y. Kartika, N. Indraswati, S. Ismadji, “Activated carbon
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[18] D. Sidiras, F. Batzias, E. Schroeder, R. Ranjan, M. Tsapatsis, “Dye adsorption on autohydrolyzed pine sawdust in batch and fixed-bed
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Sawdust”, American – Eurasian Journal of Scientific Research, vol. 4, no. 4, pp. 324-329, 2009.
29
Introducción a la Tecnología Disruptiva y su Implementación en Equipos Científicos _________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
1. INTRODUCCIÓN
La tecnología disruptiva se puede definir como una
innovación que ayuda a crear una nueva red de valor y
que eventualmente interrumpe el mercado actual (en unos
pocos años o décadas), desplazando una tecnología anterior.
La teoría de la tecnología disruptiva fue acuñada por primera
vez por el profesor de Harvard, Clayton M. Christensen en su
investigación sobre la industria de discos duros y más tarde
popularizado por su libro “The Innovator’s Dilemma” [1].
La teoría explica el fenómeno por el cual una innovación
transforma un mercado o sector existente introduciendo
simplicidad, comodidad, accesibilidad y asequibilidad,
donde la complicación y el alto costo son el status quo.
Inicialmente, una innovación disruptiva se forma en un
nicho de mercado que puede aparecer poco atractivo o
intrascendente para las empresas comerciales, pero al final el
nuevo producto o idea redefine por completo la industria.
Las tecnologías disruptivas no son un fenómeno reciente. Ha
estado con la humanidad desde sus primeros días y continúa
hoy en día ininterrumpidamente y seguirá tanto como la
historia humana se desarrolle. Un ejemplo clásico es el
ordenador personal. Antes de su introducción, “mainframes”
y computadoras fueron los productos que prevalecían en la
industria de la computación. Como mínimo, tenían un
precio de alrededor de $ 200.000 y se requería experiencia en
ingeniería para operarlas. Apple, uno de los pioneros en la
informática personal, comenzó a vender sus primeros
ordenadores a finales de 1970 y principios de 1980, pero
como un juguete para los niños. En ese momento, el producto
no fue lo suficientemente bueno para competir con las
computadoras, pero los usuarios de Apple no les importaban
porque no podían darse el lujo de utilizar los ordenadores
caros. Poco a poco, la innovación mejora los productos y en
pocos años, el computador personal se hizo más asequible
y lo suficientemente pequeño para que pudiera hacer el
trabajo que antes requería computadoras de alto desempeño.
Esto creó un nuevo mercado y en última instancia desplazó la
industria existente.
El objetivo de este trabajo es dar a conocer el concepto de
tecnología disruptiva, para que pueda ser identificado en una
primera instancia. Para lograr este fin se ha revisado la
Introducción a la Tecnología Disruptiva y su
Implementación en Equipos Científicos
Loza Matovelle, D.*; Dabirian R.*, **
* Universidad de las Fuerzas Armadas-ESPE, Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica Sangolquí, Ecuador
e-mail: [email protected], [email protected]
**Escuela Politécnica Nacional, Departamento de Materiales, Laboratorio de Nuevos Materiales, Quito, Ecuador
e-mail: [email protected]
Resumen: En este artículo se introduce el término de tecnología disruptiva, se considera su historia y se describe la
forma en que aplicamos esta tecnología en investigaciones realizadas. La tecnología disruptiva es un proceso por el
cual un producto o servicio se abre paso, inicialmente con aplicaciones sencillas con los clientes de baja gama y
luego dichas aplicaciones pueden mejorar hasta que eventualmente desplazarían competidores establecidos. En
nuestro laboratorio hacemos uso de varias tecnologías disruptivas, que van desde las impresoras 3D y
microprocesadores con interfaces y tarjetas de desarrollo de código abierto hasta las unidades de lectura óptica y
zumbadores piezoeléctricos. Las aplicaciones que podemos obtener por estos métodos abarcan un amplio tipo de
tecnologías, desde las partes estructurales instrumentales ajustadas a medida hasta los controladores de bajo costo
para los escáneres del microscopio de fuerza atómica.
Palabras clave: Tecnología disruptiva; bajo costo; Arduino; impresión 3D; innovación.
Abstract: In this article the term disruptive technology is introduced, its history is described and we explain how
we apply this technology in research on low cost instrumentation. Disruptive technology is a process by which a
product or service makes its way initially in simple applications at the bottom of the market and, then, those
applications can improve until eventually displacing established competitors. In our laboratory we use several
disruptive technologies, ranging from 3D printers and microprocessors with open sources interfaces and
development boards to optical scanning units and piezoelectric buzzers. Applications that can be obtained by these
methods cover a wide type of technologies, from the instrumental adjusted as structural parts to low-cost drivers for
scanners for atomic force microscopy.
Keywords: Disruptive technology; low cost; Arduino; 3D printing; innovation.
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Loza Matovelle, D.*; Dabirian, R.*, ** _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
bibliografía desde el punto de vista histórico, así como
analizando casos innovativos en donde la tecnología
disruptiva ha desplazado a la tecnología establecida. La idea
del artículo propuesto es que se ha más fácil reconocer
dichas tendencias tecnológicas en el ámbito de la
investigación. Discutimos algunas de las tendencias y las
proyecciones más importantes de las tecnologías disruptivas y
presentamos las diversas formas en que aplicamos dicha
tecnología en el trabajo del día a día de nuestros
laboratorios. La finalidad del presente trabajo es motivar la
aplicación de estos tipos de tecnología para el desarrollo de
equipos científicos de bajo costo. Lo cual, a través de su
aplicación pueda, contribuir a mejorar el desarrollo
tecnológico del país.
2. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
2.1 Tecnología Establecida Contra Tecnología
Disruptiva
La teoría central de la obra de Christensen [1] es la
dicotomía entre la innovación disruptiva y la innovación
establecida. Las empresas establecidas usan tecnología
establecida para mejorar el rendimiento de los productos
existentes a lo largo de las dimensiones que los usuarios
valoran. Las tecnologías establecidas se centran en mejorar
la eficiencia y la calidad para conseguir cambios pequeños y
graduales en sus procesos. Tienden a mantener una mejora
continua; es decir, que dan a los usuarios algo más o mejor
en los atributos que ya valoran. Estas empresas tienden a
ignorar los mercados que tienen márgenes muy estrechos de
ganancia y/o que son considerados demasiado pequeños para
proporcionar una buena tasa de crecimiento. Debido a esto,
son los mercados pequeños que son más susceptibles a la
tecnología disruptiva.
La tecnología disruptiva, por otra parte, a menudo tendrá
características que los segmentos de usuarios tradicionales
pueden no desear, al menos inicialmente. Otro elemento a
considerar es que los usuarios principales no están dispuestos a
utilizar un producto con tecnología disruptiva en aplicaciones
importantes. Por eso en principio, la tecnología disruptiva
tiende a ser utilizada y valorada sólo en nuevas aplicaciones;
de hecho, por lo general, hacen posible la aparición de nuevos
mercados. Estas innovaciones van a aparecer como más
baratas, más sencillas e incluso con una calidad inferior si se
compara con los productos existentes. Sin embargo, algún
segmento marginal o nuevo del mercado lo valora. La
tecnología disruptiva permite a este nuevo grupo de
consumidores el acceso a un producto o servicio que fue
históricamente sólo accesible a los consumidores con una
gran cantidad de dinero. Una vez que un producto disruptivo
se convierte en una aplicación sencilla pero robusta, ingresa
en el mercado y puede mejorar con el tiempo e incluso
desplazar a los competidores establecidos.
La tecnología disruptiva no se trata de ganar una carrera
tecnológica, sino de la entrega de innovaciones dirigidas a un
conjunto de usuarios cuyas necesidades están siendo
ignoradas por los líderes de la industria. Se puede decir que la
tecnología disruptiva inicialmente prioriza la simplicidad,
comodidad, posibilidad de personalizar y precio, frente al
rendimiento y altas prestaciones.
2.2 Modelo Teórico de Tecnología Disruptiva
Cuando la tecnología que tiene el potencial de revolucionar
una industria emerge, las empresas establecidas típicamente lo
ven como poco atractivo, no es algo que sus usuarios
principales quieren y sus márgenes de beneficios proyectados
no son suficientes para cubrir la estructura de costos.
Como resultado, la nueva tecnología tiende a ser ignorada en
favor de las tecnologías actualmente más populares con
usuarios de alta gama. Pero en cierto punto una empresa
interviene para llevar la tecnología disruptiva a un nuevo
mercado. Una vez que esta tecnología disruptiva se ha
establecido, una innovación en menor escala rápidamente
mejora el rendimiento de dicha tecnología.
En la Fig. 1, se presenta el esquema de crecimiento de la
tecnología disruptiva. La disrupción de baja gama es la que en
un principio se dirige a usuarios que no necesitan el máximo
rendimiento. La disrupción se produce cuando la velocidad
con la que los productos mejoran excede la velocidad con la
que los usuarios pueden adoptar la nueva tecnología. Por lo
tanto, en algún momento el rendimiento del producto
sobrepasa las necesidades de ciertos segmentos de usuarios.
En este punto, una tecnología disruptiva puede entrar en el
mercado de alta gama y ofrecer un producto que tiene un
desempeño similar a la tecnología establecida, pero que
excede los requerimientos de ciertos segmentos de mercado,
introduciéndose en el mismo.
Figura 1. Evolución teórico de tecnología disruptiva.
En la disrupción de gama baja, el disruptor se centra
inicialmente en servir al usuario menos rentable, que es
feliz con un producto lo suficientemente bueno. Este
tipo de usuario no está dispuesto a pagar por las mejoras en
la funcionalidad del producto. Una vez que el disruptor
ha ganado un espacio en este segmento de mercado lo que se
busca es mejorar su margen de ganancia. Para
obtener mayores márgenes de ganancia, el disruptor tiene
que entrar en el segmento en el que el usuario está dispuesto
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Introducción a la Tecnología Disruptiva y su Implementación en Equipos Científicos _________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
a pagar un poco más por una mayor calidad.
2.3 Tecnología Disruptiva Usado en Nuestro Entorno
Al realizar investigación se necesita recursos: humanos,
económicos y tecnológicos (software y equipos). La
aplicación de tecnología disruptiva puede tener influencia al
reducir costos de los proyectos investigativos.
En nuestro laboratorio aplicamos varios tipos de tecnología
disruptiva, intentando lograr productos de similares
características a sus contrapartes comerciales. Las ventajas
en el uso de este tipo de tecnologías son: el diseño de equipos
que se adapten a las necesidades particulares de nuestros
laboratorios, reducir la dependencia tecnológica de
proveedores externos, fomentar el desarrollo local y reducir
costos, entre otras ventajas.
Existen muchas plataformas de tecnología abierta que en la
actualidad tiene una gran acogida por la facilidad de
manipulación, programación e integración, quizás la más
difundida es Arduino [2, 3]. El Arduino es un claro ejemplo
de tecnología disruptiva, entre sus características está el ser
económico, de tecnología abierta y de fácil uso. Aunque
con menores prestaciones a una tarjeta de adquisición de
datos, su bajo precio y el uso microprocesadores de
arquitectura diferente (AVR) ha causado una ruptura en el
mercado. Con la incorporación del Arduino hemos
construido prototipos de diferente índole, desde robots
autónomos hasta equipos de laboratorio tan complicados
como una incubadora.
También, en nuestro laboratorio se utiliza la impresión 3D [4]
para construir diferentes modelos adecuados, adaptados a
nuestras necesidades particulares y al tipo de diseño que se
desea analizar. Hasta ahora, la impresión 3D ha sido
ampliamente utilizada por los diseñadores de productos, los
aficionados y para algunas aplicaciones industriales selectas.
Además, el rendimiento de las impresoras está mejorando, la
gama de materiales se está expandiendo, y los precios (tanto
para impresoras y materiales) están disminuyendo
rápidamente, con lo que la impresión 3D está llegando a un
punto en el que podría suceder la rápida adopción de esta
tecnología por los consumidores e incluso por las fábricas. Es
importante destacar que la impresión 3D permite el diseño a
medida y también puede reducir la cantidad de material
desperdiciado en la fabricación. Se puede crear objetos que
son difíciles o imposibles de producir con las técnicas
tradicionales.
En el laboratorio hemos hechos diferentes proyectos alineados
en el desarrollo de nuevas tecnologías dentro de las
impresoras 3D. Por ejemplo, el uso de la tecnología DLP
[5] abre la posibilidad de diseñar formas más complejas. Se
pueden construir diferentes mecanismos (mecanismos
paralelos) que mejoren la maniobrabilidad del equipo.
También se puede considerar el uso de nuevos materiales,
generalmente provenientes de plástico reciclado para abaratar
costos de producción.
Se han desarrollado varios instrumentos científicos aplicando
esta filosofía. Entre ellos se encuentran: sensores de turbidez
[6] y conductividad, una centrifugadora y spin coater y dip
coater [7] para preparación de películas delgadas, Fig. 2.
Figura 2. Equipos científicos construidos en nuestro laboratorio, en donde se ha aplicado aspectos de la tecnología disruptiva. De izquierda a derecha:
spin coater, sensor de turbidez, dip coater y sensor de conductividad.
Por otro lado, hemos aplicado sistemáticamente algunos de
estos conceptos en la construcción de una serie de
instrumentos científicos de bajo costo. Incluyendo un
microscopio de fuerza atómica (AFM) [8] con el empleo de
dos nuevas tecnologías disruptivas, como el sistema de
detección de cantiléver astigmático (ADS) [9, 10] y el
escáner zumbador [11]. El sistema ADS puede
potencialmente reemplazar a los métodos tradicionales de
deflexión de haz empleados en casi todos los AFM
comerciales hoy en día. Las ventajas incluyen un tamaño más
pequeño de láser, una trayectoria del haz más corta y un
mayor rango en la escala z. Además, el escáner zumbador
es una aplicación con un gran potencial de desarrollo y que
puede sustituir escaners caros y difíciles de manejar basados
en piezotubos. Ambos sistemas propuestos son varias veces
más baratos que las tecnologías establecidas actualmente.
3. CONCLUSIONES
Es importante recordar que la disrupción es una fuerza
positiva. Las innovaciones disruptivas no son tecnologías
que hacen los productos mejores; sino que son las
innovaciones que hacen los productos y servicios más
accesibles y asequibles. Con lo cual, se llega con la
tecnología a un mayor grupo de la población.
Hoy en día, vemos una evolución mucho más rápida de
tecnologías potencialmente transformadoras. Tecnologías
importantes pueden desarrollarse en cualquier campo o salir
de alguna disciplina científica. Los cambios tecnológicos
que dañan las empresas establecidas no suelen ser
radicalmente nuevos o difíciles desde el punto de vista
tecnológico. Estos sin embargo, tienen dos características
importantes. En primer lugar, por lo general presentan un
paquete diferente de atributos-desempeño, los que al menos
al principio, no son valorados por los usuarios existentes. En
32
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
segundo lugar, el desempeño de dichos atributos hace
posible que la nueva tecnología puede llegar a los mercados
establecidos. Muchas de las tecnologías analizadas en este
artículo serán de fácil acceso y pueden requerir poca o
ninguna inversión de capital. La tecnología disruptiva podría
ayudar a nivelar el campo de juego, poniendo el diseño,
producción y distribución de productos y servicios a un
mayor alcance.
Cada una de estas tecnologías podrá tener un gran potencial
para impulsar el crecimiento económico e incluso cambiar
las fuentes de ventajas comparativas entre las naciones.
Estos tipos de impactos podrían ayudar a los países a
desarrollar y explotar sus recursos y capacidades únicas de
nuevas maneras, desplazando potencialmente el centro de
gravedad mundial. Esto podría llevar a revisar la forma en
que se abordan cuestiones de tecnología y desarrollar un
enfoque sistemático para encontrar formas de convertir la
tecnología disruptiva en un cambio positivo, la cual puede
favorecer el desarrollo de las tecnologías que son más
relevantes para sus economías. Sin embargo, el desafío es
enorme. La tecnología no se detiene para nadie, y no
podemos darnos el lujo de ser pasivos.
RECONOCIMIENTO
El presente trabajo fue patrocinado por el Proyecto Prometeo
de la Secretaría de Educación Superior, Ciencia, Tecnología
e Innovación de la República del Ecuador.
REFERENCIAS
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Catching the wave" Harvard Business Review, 1995.
[2] Arduino, “What is Arduino?”, Available: www.arduino.cc , 2015. [3] R. Herrera, “Herramientas de Software Libre para Aplicaciones en
Ciencias e Ingeniería”, Rev. Politécnica, 32, 2013, pp. 2-8. [4] L. M. Sherman, "3D Printers; Lead growth of rapid prototyping”,
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[5] R. Janssen, “3D printing now with ceramics too.” TNO Time, 18, Aug. 2011.
[6] D. Loza Matovelle, C. Román, L. J. Segura and R. Dabirian,
“Diseño de un sensor de turbidez de bajo costo y de código
abierto para mediciones en muestras acuosas”, Rev. Iteckne, 2015,
accepted.
[7] D. Loza Matovelle, V. H. Guerrero and R. Dabirian, “Construction of low cost spin and dip coaters for thin film deposition using open
source technology”, Momento, 49, pp. 13-18, 2014.
[8] R. Dabirian, W. M. Wang, D. Loza Matovelle and E. T. Hwu
"Sistema de microscopía de fuerza atómica basada en una unidad de lectura óptica digital y un escáner- zumbador ", Rev. Mex. Fis., 61, pp.
238-244, 2015.
[9] E. T. Hwu, S. K, Kang, C. W. Yang, K. Y. Huang and I.S. Hwang,
“Real-time detection of linear and angular displacements with a modified DVD optical head”, Nanotechnology, 19, pp. 115501-115508,
2008.
[10] E. T. Hwu, S. K .Hung, C. W. Yang, I. S. Hwang and K. Y. Huang,
“Simultaneous detection of translational and angular displacements of
micromachined elements” Appl. Phys. Lett., 91, pp. 221908-221911,
2007.
[11] W. M. Wang, K. Y. Huang, H. F. Huang, I. S. Hwang and E. T.
Hwu, “Low-voltage and high-performance buzzer- scanner based
streamlined atomic force microscope system”, Nanotechnology, 24, pp. 455503-455011, 2013.
33
Investigaciones de Materias Primas Minerales No Metálicas en el Ecuador
_________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
1. INTRODUCCIÓN
La Revolución del Conocimiento propone la innovación, la
ciencia y la tecnología, como fundamentos para el cambio de
la matriz productiva, concebida como una forma distinta de
producir y consumir. Esta transición llevará al país de una fase
de dependencia de los recursos limitados a una de recursos
ilimitados, como son la ciencia, la tecnología y el
conocimiento. El Programa de Gobierno 2013-2017 del
Ecuador define cambios en la estructura productiva para
diversificar la economía, dinamizar la productividad,
garantizar la soberanía nacional en la producción y el consumo
interno, y salir de la dependencia primario-exportadora. Así
como también la conformación de nuevas industrias y el
fortalecimiento de sectores productivos con inclusión
económica en sus encadenamientos, apoyados desde la
inversión pública, nueva inversión privada, las compras
públicas, los estímulos a la producción (CEPAL, 2012b), y la
biodiversidad y su aprovechamiento (SENPLADES, 2009).
Esto promoverá la sustitución de importaciones, la
desagregación y transferencia tecnológica, el conocimiento
endógeno, y priorizará la producción nacional diversificada,
con visión de largo plazo en el contexto internacional. [19]
Investigaciones de Materias Primas Minerales
No Metálicas en el Ecuador
Uribe R.*
*Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Mecánica, SENESCYT-Prometeo. Quito, Ecuador
e-mail:[email protected], [email protected]
Resumen: Este artículo contiene la síntesis de los resultados alcanzados durante la realización del inventario de
materias primas No metálicas, realizado por la Cooperación Alemán-Ecuatoriana, durante la década de los ochenta y
los noventa, a objeto de coadyuvar en la divulgación y socialización de la información disponible en minería no
metálica del Ecuador; en lo específico, la síntesis del inventario disponible de minerales arcillosos. El proyecto inició
con la realización sistemática de un “inventario de los indicios conocidos de materias primas No-metálicas”, en las
distintas provincias del país, el Ecuador fue dividido en diecinueve (19) provincias, numeradas por orden alfabético.
La falta para la época de sistemas automatizados de almacenamiento, distribución y divulgación de la información,
contribuyó al hecho de que los inventarios recopilados sólo se encuentren disponible en físico (papel) en el Centro
de Documentación del INEGEMM, lo que dificulta el acceso a todos los interesados, y lo más importante a la
socialización de la información en el sector cerámico artesanal e industrial del Ecuador. Este trabajo complementa
el Proyecto SENESCYT-Prometeo: “Caracterización de Materias Primas Arcillosas Nacionales para uso del Sector
Cerámico Artesanal y/o Industrial del Ecuador”, el cual tiene por objetivo que una vez realizada la evaluación físico-
química y cerámica de las materias primas arcillosas, generar una base de datos que le permita disponer de esta
información técnica a todos los sectores académicos y productivos del país.
Palabras claves: Minerales No Metálicos, Minerales Arcillosos, Inventario de Materias Primas
Abstract: This article contains a summary of the results achieved during the inventory of non-metallic raw materials,
made by the German-Ecuadorian cooperation during the eighties and nineties, in order to assist in the dissemination
and socialization of information available in non-metallic mining of Ecuador, in the specific synthesis of clay minerals
available inventory. The project began with the systematic implementation of an "inventory of known evidence of
non-metallic raw materials" in the various provinces, Ecuador was divided into nineteen (19) provinces, numbered
alphabetically. The time needed for the automated storage, distribution and dissemination of information, contributed
to the fact that inventories are compiled only find available in physical (paper) in the Documentation Centre
INIGEMM, hindering access to all stakeholders, and most importantly the socialization of information in the
traditional and industrial ceramics sector of Ecuador. This work complements the SENESCYT Project:
"Characterization of clay raw materials for use by National Ceramic Craft Sector and / or Industrial of Ecuador".
Which it aims to once the physicochemical and evaluation of ceramic clay raw materials generate a database that
allows this technical information available to all academic and productive sectors of the country.
Keywords: Non-metallic Mineral, clay minerals, raw materials inventory
34
Uribe, R.
_______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Todos los fabricantes de piezas cerámicas, ya sean artesanales,
utilitarias o estructurales, parten de un origen común que es el
consumo de minerales arcillosos (No metálicos), y se
diferencian por los procesos de producción, que pueden ser de
carácter artesanal o industrial, donde se emplean tecnologías
modernas de fabricación. Ofertando así al mercado una gama
muy diversificada de productos, tanto de consumo doméstico,
como para el sector de la construcción o industrial, tales como:
Cerámica plana, piezas de baño, productos de vidrio, cemento,
refractarios y piezas de arcilla cocida, entre otros.
Se conoce a la minería como a toda actividad productiva en la
que se extraen, explotan o benefician los minerales
depositados en el suelo y en el subsuelo. De acuerdo con sus
características físicas y químicas, los minerales se clasifican
en metálicos, no metálicos y energéticos. La minería es una
fuente de ingresos muy importante en regiones rurales del país,
ocupa a obreros calificados o no, operarios de maquinaria,
profesionales de diversas ramas, así como entes
gubernamentales. Cabe mencionar que en la rama de minerales
No metálicos se clasifican tanto agregados pétreos como
minerales de uso industrial tales como: calizas, yeso, arcillas,
feldespato, caolín, arena/grava, grafito, baritina, entre otros.
Durante finales de la década de los ochenta y en los noventa,
se realizaron en el Ecuador algunos esfuerzos para la obtención
de estadísticas e inventarios relativos a la disponibilidad de
minerales No metálicos, entre los que destacan el trabajo
realizado por el extinto INEMIN, actual INIGEMM. No
obstante, la falta para la época de sistemas automatizados de
almacenamiento, distribución y divulgación de la información,
contribuyó al hecho de que los inventarios recopilados sólo se
encuentren disponible en físico (papel) en el Centro de
Documentación del INEGEMM, lo que dificulta el acceso a
todos los interesados, y lo más importante a la socialización de
la información dentro del sector cerámico del Ecuador.
El objetivo de este documento es presentar una síntesis del
inventario realizado por la Cooperación Alemán-Ecuatoriana,
durante las décadas de los ochenta y los noventa, a objeto de
coadyuvar en la divulgación y socialización de la información
disponible en minería No metálica del Ecuador; en lo
específico el inventario disponible de minerales arcillosos.
Asimismo, se pretende contribuir con la normativa en materia
de exploración minera, Ley de Minería del Ecuador 2009,
Capítulo II: De la formulación, ejecución y administración de
la política minera, artículo 7: Competencias del Ministerio
Sectorial, en cuanto le corresponde, conforme el literal (e):
“Promover en coordinación con instituciones públicas y/o
privadas, universidades y escuelas politécnicas, la
investigación científica y tecnológica en el sector minero”.
Este trabajo complementa el Proyecto SENESCYT, Prometeo:
“Caracterización de Materias Primas Arcillosas Nacionales
para uso del Sector Cerámico Artesanal y/o Industrial del
Ecuador”, el cual, de acuerdo con la Ley de Minería del
Ecuador 2009, Capítulo VII, artículo 27, armoniza con el
desarrollo de las fases de la actividad minera de Prospección,
que consiste en la búsqueda de indicios de áreas mineralizadas
y, Exploración que consiste en la determinación del tamaño y
forma del yacimiento, así como del contenido y calidad del
mineral en él existente.
2. MARCO DE REFERENCIA
En este documento se presenta la síntesis del trabajo de
cooperación técnica realizada entre los años 1985 y 1990,
entre la República del Ecuador y la República Federal
Alemana, proyecto: “Investigación de materias primas no
metálicas”, realizado por Bundesanstalt fuer
Geowissenschaften und Rohstoffe (Instituto Federal de
Geociencias y Recursos Naturales Alemán), BGR, en
cooperación con el Instituto Ecuatoriano de Minería, INEMIN,
actual Instituto Nacional de Investigación Geológico Minero
Metalúrgico, INIGEMM.
El proyecto inició con la realización sistemática de un
“inventario de los indicios conocidos de materias primas No-
metálicas”, en las distintas provincias del país, iniciándose en
Loja, en vista de que esta provincia tenía mayor necesidad de
desarrollo para la época; posteriormente el inventario fue
extendido a todas las provincias del sur del país. El Ecuador
fue dividido en diecinueve (19) provincias, numeradas por
orden alfabético (ver Tabla 1, Fig. 1), en las provincias
señaladas (letras cursivas), el inventario fue concluido en el
marco del proyecto de cooperación Alemania-Ecuador, el
resto del inventario, total (21) provincias, fue terminado por la
contraparte ecuatoriana, entre los años 1990-2001:
Tabla 1: Orden correlativo de provincias inventariadas del Ecuador
01 Azuay 02 Bolívar 03 Cañar
04 Carchi 05 Cotopaxi 06 Chimborazo
07 El Oro 08 Esmeraldas 09 Guayas
10 Imbabura 11 Loja 12 Los Ríos
13 Manabí 14 Morona Santiago 15 Napo
16 Pastaza 17 Pichincha 18 Tungurahua
19 Zamora 20 Galápagos 21 Sucumbíos
Figura 1. Mapa político del Ecuador.
Fuente: http://www.inverpal.com/wp-content/uploads/ 2014/06/Mapa-politico-Ecuador.jpg
En los siguientes apartados presentaremos un resumen de la
geología del Ecuador descrita en el Informe Técnico
35
Investigaciones de Materias Primas Minerales No Metálicas en el Ecuador
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
“Introducción al Inventario de Materias Primas No Metálicas
en el Ecuador” [20]. Para mayores detalles recomendamos la
lectura de los informes referenciados [1-18, 20-21].
2.1 Geología y Morfología del Ecuador
En la imagen de la Fig. 2 se puede apreciar una vista geológica
general simplificada del Ecuador. En la parte central y oriental
del Ecuador se depositaron, sobre todo en el cretáceo y en el
cenozoico, sedimentos espesos encima de una base
precámbrica y paleozoica. Siguiendo la teoría de la tectónica
de placas, la parte ubicada al occidente de las cordilleras
actuales se formó mediante el levantamiento del fondo del
océano y la siguiente sedimentación. El surgimiento de la
costra oceánica debajo del cratón de Guyana motivó, a partir
del mesozoico, la formación del volcanismo, gran proveedor
de sedimentos conjuntamente con el cratón de Guyana.
Figura 2. Vista geológica general simplificada del Ecuador. [20]
A finales del eoceno se produjo el plegamiento principal de la
región andina. Las presiones y temperaturas correspondientes
provocaron la metamorfosis de parte de los sedimentos
anteriores. En ambos lados de la región andina, como también
en las cuencas interandinas se produjeron nuevamente grandes
sedimentaciones en el transcurso del terciario. En el mio-
plioceno se dio el levantamiento de la Cordillera Real en el
Este y de la Cordillera Occidental en el Oeste. En el oriente se
formaron anticlinales en dirección norte sur. El valle
interandino longitudinal es el resultado de un hundimiento.
Simultáneamente se formaron estrato-volcanes, ubicados
encima de las dos cordilleras o en el valle longitudinal
interandino. La edad de estos volcanes oscila entre el
pleistoceno y holoceno. Debido a la erupción de estos
volcanes, la parte norte y central de los Andes ecuatorianos fue
cubierta en una época geológica reciente con espesos
sedimentos volcánicos (tobas, cenizas, piroclásticos). Debido
a la evolución geológica se han formado en el Ecuador tres
unidades morfológicas, todas casi orientadas en la dirección
norte-sur:
La Costa, es decir la parte plana del país. Que se extiende
desde el Océano Pacífico en el oeste hasta el pie de la
Cordillera de los Andes.
La Sierra, parte central del país, conformada de dos
cordilleras paralelas, la Cordillera Occidental y la
Cordillera Real separadas por un valle central longitudinal,
subdividido en cuencas. La mayor altitud es de 6.310 m,
correspondiente al volcán Chimborazo.
El Oriente, una parte de la cuenca amazónica, que
comienza en la base oriental de la cordillera, bajando a
niveles de menos de 300 m en el territorio ecuatoriano. Por
su estructura geológica y la reducida altitud (menos de
2000 m) la Sierra Subandina pertenece igualmente a esta
parte del país.
2.2 Conformación del Inventario
A fin de sistematizar el inventario de materias primas No
metálicas del Ecuador se elaboró una tarjeta que toma en
cuenta todos los datos administrativos, topográficos y
geológico-mineros del Ecuador. En estas tarjetas las
posiciones de las minas llevan índices de numeración
continua, y se organizaron en un manual a fin de facilitar su
correcto uso.
En la fase inicial de proyecto se revisaron, evaluaron y
registraron todos los documentos disponibles en el Ecuador
sobre las provincias del sur (Azuay, Cañar, El Oro, Loja,
Morona Santiago y Zamora Chinchipe), los alrededores de
Quito y Guayaquil. Posteriormente, los mencionados
yacimientos fueron visitados, comprobándose su ubicación
exacta y su situación geo-económica. Durante el trabajo de
campo se tomaron muestras representativas, las cuales fueron
analizadas en los laboratorios del INEMIN y en laboratorios
instalados por el grupo alemán de cooperación técnica. En lo
específico se realizaron determinaciones de composición
química, granulometría y contenido mineralógico.
Los resultados de los trabajos realizados están descritos y
resumidos en los tomos correspondientes a cada provincia.
Éstos fueron elaborados siguiendo un esquema uniforme de
contenido, en los anexos de cada tomo se añadieron solamente
la copia de la primera página de las tarjetas. El apartado de la
ficha (página dos) con los resultados de la caracterización,
evaluación y análisis tecnológico de los minerales, fue
considerado como confidencial y se encuentran bajo la
36
Uribe, R.
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
custodia de la Gerencia General, Sección de No-Metálicos del
INEMIN, actual INEGEMM.
2.3 Contenido de la Tarjeta de Inventario
En la Fig. 3 se muestra una imagen de la tarjeta de inventario
de materias primas no metálicas utilizadas en el proyecto. El
área inventariada en cada provincia se identifica según se
indica en el codificador: Ta
Los dos primeros campos corresponden al número de
provincia asignado, del 01 al 21, los siguientes campos al
correlativo de identificación iniciando por el 001 y los dos
campos finales indican el tipo de materia prima, así por
ejemplo: Arcilla: Ar, Arena/Grava: AG, Sílice: Si, Caliza: Ca,
Caolín: Cn, Feldespato: Fs, etc. De acuerdo con el correlativo
de los ítems dispuestos en la tarjeta tenemos: [20]
1) Nombre de la mina, afloramiento, área: Corresponde al
nombre de la mina o del área de prospección solicitada y
bajo el cual constará en el archivo minero del INEMIN,
actual INIGEMM. Puede referirse a algún afloramiento
de importancia en el cual consta el nombre del sitio más
importante o el nombre de la persona que realiza la
explotación a la fecha.
a. Material: Se refiere al tipo de mineral o materia
prima solicitado para alguna de las fases de
investigación, o que se haya encontrado en algún
afloramiento.
2) Fase: Estado en el que se encuentra la solicitud en el
archivo minero del INEMIN.
3) Referencia catastro minero: Fecha en la que se ha
presentado la solicitud al INEMIN para iniciar los
trabajos en la fase respectiva. Tomada del expediente que
existe en el catastro minero, de ser el caso.
4) Ubicación: Indica que el área cuenta con hojas
topográficas o planimétricas, la escala en la que ha sido
elaborada, la provincia a la que pertenece. La parroquia
y el sector dan una ubicación aproximada de la
jurisdicción en que se encuentra el área de afloramiento.
5) Coordenadas: Indican la posición exacta del área o
afloramiento. Tomadas de la hoja topográfica (UTM) o
planimétrica (geográficas) indicadas en el numeral 4.
6) Situación actual: Indica el estado en el que se encuentran
las actividades de la mina o el área.
7) Empresa: Se refiere a la persona natural o jurídica que se
encuentra investigando o explotando el mineral.
8) Uso y mercado: Indica cual es el uso que se le está dando
actualmente al material extraído y, de ser el caso, a qué
mercado se está entregando la producción.
9) Visitado por: Indica la persona que ha visitado el área, ha
realizado el muestreo y el reconocimiento, con la fecha
correspondiente.
10) Geología: Se hace una descripción resumida de la
geología regional y la geología local de la mina, área o
afloramiento, por ejemplo describe el perfil litológico.
11) Drenaje de la mina: Se refiere al drenaje del agua en la
mina, área o afloramiento; si es natural o requiere
bombeo.
12) Sobrecarga: Se refiere al material sin valor económico
que cubre el yacimiento o afloramiento, indicando su
espesor en metros.
13) Parámetros geoeconómicos: En ellos se indican:
a. Superficie del área en concesión.
b. Acceso al área: carretera asfaltada o camino vecinal
usable únicamente en época seca.
c. Disponibilidad de servicio de energía eléctrica.
d. Disponibilidad de servicio de combustible.
e. Disponibilidad de mano de obra.
f. Disponibilidad de agua.
g. Población cercana.
h. Parámetros climáticos.
i. Valoración del yacimiento a la vista de la importancia
local, regional y nacional.
14) Reservas: Se detallan las reservas probadas, probables y
posibles.
15) Consumo de energía: Se indica la cantidad de energía
eléctrica consumida, explosivos utilizados o agua.
16) Método de explotación: Se describen los métodos y
equipos usados en la explotación, indicando si es a cielo
abierto, subterránea. Extracción con pala hidráulica,
manual, etc.
17) Potencial de producción: Se indica el número de
trabajadores que laboran en el yacimiento, días o meses
al año.
18) Producción anual: Se indica la cantidad de material
extraído en toneladas o metros cúbicos durante el año.
Figura 3. Imagen de la tarjeta de inventario de materias primas no metálicas
En la Fig. 4 se muestra una imagen de la hoja posterior (página
2) de la tarjeta de inventario de materias primas no metálicas
utilizada en el proyecto. Todos los campos corresponden a los
resultados de los análisis técnicos de caracterización y
evaluación de materias primas. Estos datos no están
disponibles al público para su socialización, se consideran
confidenciales y se encuentran bajo la custodia de la Gerencia
General, Sección de No-Metálicos del INEMIN, actual
INEGEMM. De acuerdo con el correlativo de los campos
dispuestos en la parte posterior de la tarjeta tenemos:
19) Muestras tomadas: Se refiere a las muestras tomadas
durante la visita al yacimiento, por el personal del
INEMIN o las tomadas por otras personas o empresas y,
a los tipos de análisis realizados a cada una de ellas.
INSTITUTO ECUATORIANO DE MINERÍA TARJETA N°
1 2 FASE 3 REFERENCIA CATASTRO MINERO 4 UBICACIÓN Hoja Topográfica Planimétrica
Investigación Nombre: Cantón:
Prospección Escala: Parroquia:
Exploración Provincia: Sector:
Explotación
Material: Archivada Fecha de Presentación: Fotografía aérea
5 COORDENADAS 6 SITUACIÓN ACTUAL 7 EMPRESA 8 USO
UTM Geográficas Trabajando Trabajos esporádicos Nombre:
X(h) No Trabaja Importancia geológica Representante: MERCADO
Y(V) Agotada Dirección:
Teléfono:
9 VISITADO POR: 10 DRENAJE EN LA MINA 11 SOBRECARGA
Fecha:
12 GEOLOGÍA 13 PARÁMETROS GEOECONÓMICOS
14 RESERVAS 15 CONSUMO DE ENERGÍA 16 MÉTODO DE EXPLOTACIÓN 17 POTENCIAL DE PRODUCCIÓN 18 PRODUCCIÓN ANUAL
NTrabajadores:
Días a la semana:
Maquinaria: Meses al año:
INVENTARIO DE MATERIAS PRIMAS NO METÁLICAS
NOMBRE (Mina-afloramiento-área)
37
Investigaciones de Materias Primas Minerales No Metálicas en el Ecuador
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
20) Resultados de los análisis: Indica la parte más importante
de cada uno de los análisis realizados, de manera que
reflejen rápidamente la calidad o inconveniencia del
material.
21) Aplicaciones: Se indican los usos que podría tener este
tipo de material y los que está realizando la industria
privada.
Fuentes de información: Se refiere a los trabajos técnicos que
pueden constar en las carpetas del Archivo Minero del
INEMIN, a trabajos realizados en la zona por compañías, o a
personas que contribuyan con información para las tarjetas y
el conocimiento de la descripción de las áreas o minas.
Publicaciones, libros, datos obtenidos en la mina,
afloramiento, área, etc.
22) Informes elaborados: Indica los trabajos realizados en
base a los análisis y que han sido publicados.
3. TRABAJOS REALIZADOS
En este apartado se sintetiza el trabajo de investigación y los
resultados alcanzados durante el levantamiento del inventario
de materias primas No metálicas realizado en las provincias
del Ecuador, mediante el Convenio de Cooperación Geológica
Alemán-Ecuatoriano, durante la década de los ochenta y los
noventa. Asimismo, se complementa la información con los
trabajos realizados por el INIGEMM en las provincias
faltantes, hasta finales del año 2001. Los resultados de los
trabajos realizados están descritos y resumidos en los Tomos
Figura 4. Imagen de la tarjeta de inventario de materias primas No metálicas.
Parte posterior, datos técnicos de minerales.
Tabla 2. Ocurrencias de materias primas No metálicas del Ecuador
PROVINCIA
No. de Ocurrencias Minerales no Metálicos
No.
de
Tar
jeta
s T
ota
les
Arc
illa
s
Cao
lín
Fel
des
pat
o
Tota
l M
in.
Arc
illo
sos
Are
na
Gra
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Sil
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Cal
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Dia
tom
ita
Esm
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Mic
a
Pie
dra
Sem
ipre
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Roca
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sas
Roca
s O
rnam
enta
les
Tri
poli
Woll
asto
nit
a
Yes
o
Lap
illi
Are
na
Pes
ada
1 Azuay 13 8 0 21 116 0 0 0 15 1 6 2 0 0 0 0 0 11 0 0 0 0 0 0 172
2 Bolivar 8 0 1 9 17 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 67 0 0 0 0 3 0 97
3 Cañar 5 6 2 13 41 0 0 0 8 0 1 0 0 0 0 0 0 14 1 0 0 0 0 0 78
4 Carchi 13 0 0 13 1 0 4 0 7 0 0 0 0 0 0 0 0 17 0 0 0 0 2 0 44
5 Cotopaxi 6 0 0 6 11 0 0 0 4 1 0 0 0 0 0 0 14 9 0 0 0 0 0 0 45
6 Chimborazo 11 0 2 13 15 0 1 0 19 3 3 2 0 0 1 0 0 37 2 0 0 0 4 0 100
7 El Oro 16 1 3 20 19 27 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 11 0 0 0 0 0 0 50
8 Esmeraldas 19 0 0 19 27 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 52
9 Guayas 29 0 0 29 56 3 0 0 35 1 0 0 0 0 0 0 0 45 0 0 0 5 0 3 177
10 Imbabura 10 0 0 10 29 0 0 0 2 2 0 0 0 0 0 0 0 2 5 0 2 1 0 0 53
11 Loja 8 8 0 16 20 0 0 0 7 1 7 0 3 0 3 0 0 10 5 1 0 14 0 0 87
12 Los Ríos 11 0 0 11 15 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 31
13 Manabí 30 0 2 32 1 0 0 0 11 1 2 0 0 0 0 0 0 26 0 0 0 2 0 1 76
14 Morona Santiago 15 7 0 22 2 9 0 1 14 0 0 0 0 0 0 0 0 2 4 0 0 3 0 0 57
15 Napo 2 2 2 6 20 3 0 0 6 0 0 0 0 1 0 0 0 8 0 0 0 0 1 2 47
16 Pastaza 10 2 2 14 13 1 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 35
17 Pichincha 53 0 0 53 75 0 0 0 4 1 0 0 0 0 0 1 8 87 6 0 0 0 0 0 235
18 Tungurahua 1 0 0 1 23 1 0 0 2 1 0 0 0 0 0 0 3 18 4 0 0 0 0 0 53
19 Zamora 5 2 3 10 6 5 0 0 2 0 0 0 1 1 0 0 0 2 3 0 0 0 0 0 30
Total por Mineral 265 36 17 318 507 27 5 1 143 12 19 4 4 2 4 1 25 372 30 1 2 25 10 7 1519
20 RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS
A.Q. DIF. PL. Q GR. LD Otros
21 APLICACIONES
A.Q.: Análisis Químico Q: Color de Quema
DIF.: Difracción de rayos X GR.: Granulometría PL.: Plasticidad LD: Lámina Delgada
22 FUENTES DE INFORMACIÓN 23 INFORMES ELABORADOS
19 MUESTRAS TOMADAS
MUESTRA TIPO
ANÁLISIS REALIZADOS
38
Uribe, R.
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
correspondientes a cada provincia de las señaladas en la Tabla
1. Para mayores detalles recomendamos la lectura de los
informes referenciados [1-18, 20-21].
En los primeros capítulos de cada Tomo se incluyen
aspectosgenerales de la geografía, clima, vegetación,
infraestructura y población, así como la geología y situación
económica de la provincia, relacionada con el contexto
nacional. En la segunda parte se describen, en forma resumida,
las ocurrencias y/o yacimientos de las materias primas No
metálicas inventariadas en cada territorio provincial, con
inherencia en la economía local, provincial y nacional. En cada
uno de los Tomos se presentan anexas todas las tarjetas de
inventario, con la descripción de cada una de las ocurrencias
y/o explotaciones valuadas.
De la recapitulación de los trabajos sobre minerales No
metálicos realizados por la Unidad de No Metálicos del
INIGEMM, en la Tabla 2 se presenta una versión actualizada
y complementada de la tabla de ocurrencias de materias primas
No metálicas, presentada por el Ing. Salomón Brito (1.997) en
el Tomo XV Provincia de Chimborazo [15].
Como se mencionó anteriormente, en este compendio se hará
énfasis en lo específico del inventario disponible relacionado
con los minerales arcillosos.
De esta manera, en la Tabla 2 se observa que las ocurrencias
de minerales No metálicos de naturaleza arcillosa, donde se
incluyen las arcillas, caolines y feldespatos, corresponde a un
veintiún (21) por ciento del total de la materias primas
valoradas. El aprovechamiento de los minerales arcillosos en
las provincias donde se evidencia predominancia de
ocurrencias, está en relación directa con su desarrollo relativo,
así por ejemplo la utilización de distintos tipos de arcillas para
la elaboración artesanal de ladrillos y tejas en muchos casos
abastecen en su totalidad la industria de la construcción de la
provincia.
3.1 Ocurrencias de minerales arcillosos
Las materias primas minerales usadas en la obtención de
piezas cerámicas son principalmente sólidos unas en relación
a otras ocasionando propiedades físicas tales como suavidad,
textura grasienta y clivaje fácil. cristalinosinorgánicos no
metálicos los cuales han sido formados por procesos
geológicos complejos. Las propiedades cerámicas están
determinadas principalmente por la estructura cristalina y la
composición química de sus constituyentes esenciales, y por la
naturaleza y cantidad de los aditivos minerales presentes. Las
características mineralógicas de tales materiales y por lo tanto
sus propiedades cerámicas están sujetas a una gran variación
entre las diferentes ocurrencias o aún entre la misma
ocurrencia, dependiendo del ambiente geológico en el cual el
deposito mineral se formó, así como también de las
modificaciones físicas y químicas que hayan tenido lugar
durante la historia geológica posterior.
Ya que los silicatos y los alumino-silicatos son los materiales
que se encuentran ampliamente distribuidos en la corteza
terrestre, son por lo tanto baratos y constituyen la base del gran
porcentaje de productos de la industria cerámica determinando
en gran parte su aspecto. Las arcillas de baja calidad se
encuentran disponibles en casi cualquier parte; como resultado
de esto, por ejemplo, la manufactura de ladrillos de
construcción y de baldosas que no requieran propiedades
especiales son de fabricación local, para las cuales la
beneficiación intensa de la materia prima no es una prioridad.
Por el contrario, para la cerámica fina que requiere el uso de
materias primas mejor controladas, las materias primas
normalmente se benefician mediante concentración mecánica,
flotación con espumantes y otros procesos relativamente
baratos. Para materiales cuyo valor añadido durante la
manufactura es alto, tal como en las cerámicas magnéticas y
en los refractarios especiales, la purificación química y aún la
preparación química de las materias primas resulta esencial.
Las materias primas de mayor aplicación son los minerales
arcillosos, partículas finas de alumino-silicatos hidratados, los
cuales desarrollan plasticidad cuando se mezclan con agua.
Las diferentes arcillas varían mucho en cuanto a características
químicas, mineralógicas y físicas pero una característica
común es su estructura laminar cristalina, la cual consiste de
capas de alumino-silicatos eléctricamente neutras, lo que
produce un tamaño de partícula pequeño y una morfología
laminar permitiendo que las partículas se deslicen fácilmente
Las arcillas cumplen dos funciones importantes en los cuerpos
cerámicos: Primero, su plasticidad característica es esencial en
diferentes procesos de fabricación usados comúnmente; la
capacidad única de las composiciones arcilla-agua les
permiten ser moldeadas y mantener su forma y resistencia
durante el secado y la quema. Segundo, las arcillas vitrifican
en un rango de temperatura, el cual depende de la
composición, donde se convierten en materiales densos y
resistentes sin perder su forma, todo esto a temperaturas que
se alcanzan económicamente. En relación con la naturaleza
mineralógica de los minerales arcillosos inventariados,
predominantes en las distintas provincias se hace notable la
presencia de:
Arcillas Caoliníticas: Este tipo de arcillas poseen en su
composición proporciones importantes de cuarzo libre y alta
plasticidad. Mineralógicamente estas arcillas son una mezcla
de minerales del grupo de la caolinita, con abundante cuarzo y
trazas de illita y sustancias amorfas (alófano). Los yacimientos
son el resultado de rocas meteorizadas, el caolín es residual o
poco transportado. En el Ecuador algunas empresas las usan
como sustituto del “ball clay” importado.
Arcillas Comunes: Bajo esta denominación están
comprendidas todas las arcillas primarias, que en su mayoría
están compuestas por arcilla impura o limo, que provienen de
la meteorización de las rocas muy cerca de la superficie. No
39
Investigaciones de Materias Primas Minerales No Metálicas en el Ecuador
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
son aptas para la fabricación de cerámica fina. Este tipo de
arcillas se queman para la producción de ladrillos, lo que
satisface las demandas provinciales locales. Por lo general son
depósitos aluviales de arenas arcillosas, así como productos de
meteorización de esquistos cristalinos de granitos. Estas
materias primas son explotadas manualmente, paleando se
mezcla y homogeniza la arcilla, que en muchos casos se
mezcla con aserrín o cáscara de arroz. Posteriormente, se
procede a darle forma manualmente a las piezas (ladrillos -
tejas), y luego de un secado al aire y sol, las piezas son llevadas
a los hornos de cocción de leña durante al menos 24 horas.
Arcillas Esmectíticas: Este tipo de arcillas se encuentra con
preferencia en las formaciones sedimentarias, en las que se
evidencian contenidos elevados de tobas ácidas y tufitas. Son
arcillas de alta plasticidad que provienen de la alteración de
lavas andesíticas, con presencia de clastos de las rocas
estériles, de hematita y goethita. En algunos casos se
encuentran afloramientos con trazas de cristobalita y mica.
Estas arcillas presentan buenas posibilidades de ser usadas en
cerámica roja.
Arcillas Halloysíticas: Este tipo de arcillas son producto de la
meteorización de los depósitos volcánicos del grupo Altar,
están caracterizadas por la presencia mineral de halloysita y
probablemente alófano, como componentes mayoritarios y
restos de feldespato, cuarzo, cristobalita y hematita.
Caolines: El caolín es una roca compuesta en su mayoría por
caolinita, es una arcilla pura y blanca que procede de la
descomposición de las rocas de feldespato. Es materia prima
de un sinfín de industrias, sus aplicaciones son muy variadas y
abarcan desde la industria cerámica hasta la industria del
papel. En las ocurrencias de las provincias del Azuay, el
Cañar, Morona Santiago, Zamora Chinchipe, y Loja, dada su
naturaleza mineralógica se deben realizar varios ajustes en
cuanto a su beneficiado como materia prima, para mejorar sus
características tanto en crudo seco y luego de la cocción.
Asimismo, se deben considerar las actitudes en cuanto al
secado, pues el comportamiento es muy crítico.
Feldespatos: Importantes depósitos de esta materia prima
existen en las Provincias de Azuay, Bolívar, Cañar,
Chimborazo, El Oro y Zamora Chinchipe. Por lo general aflora
una roca intrusiva ácida de textura granoblástica de color gris
claro, que ha sufrido procesos de meteorización, formando
interesantes acumulaciones de feldespato.
3.2 Contexto provincial
En este apartado se describe la ubicación del contexto
provincial, así como, las principales ocurrencias de materias
primas no metálicas, compiladas para el inventario de las
provincias señaladas:
1. Azuay: La provincia del Azuay está ubicada en la región
austral del país, está limitada al norte por las provincias del
Cañar y parte del Guayas; al sur Morona Santiago, Zamora
Chinchipe, Loja y el Oro; al este Morona Santiago y parte
de Zamora Chinchipe y; al oeste Guayas y el Oro. En esta
provincia el desarrollo de la minería No metálica es muy
importante, especialmente por la instalación de modernas
fábricas de cerámica plana, artística y de vajillas. Como
principales depósitos de arcillas caoliníticas de esta
provincia cabe mencionar la zona de Tinajillas, el depósito
de San Remo y el de Belén. Asimismo, como principales
depósitos de arcillas esmectíticas se encuentran el
yacimiento de San Andrés, Santa Faz y el afloramiento de
Santa Isabel, entre otros. [5]
2. Bolívar: La provincia del Bolívar se halla ubicada en el
centro-oeste de la sierra ecuatoriana, en el flanco
occidental de la Cordillera Occidental, limitando al norte
con la provincia de Cotopaxi, al sur con las provincias del
Guayas y Chimborazo, al este con las provincias de
Tungurahua y Chimborazo y al oeste con los Ríos. El
aprovechamiento de minerales No metálicos existentes en
esta provincia está en relación directa con su relativo
desarrollo. La utilización de arcillas en las cercanías de
Guaranda para la elaboración de ladrillos, abastece la
industria de la construcción de la provincia. De esta
provincia son transportadas para su industrialización
arcillas caoliníticas y feldespato a las ciudades de
Riobamba y Guayaquil. [16]
3. Cañar: La provincia del Cañar está ubicada en la región
austral del país, está limitada al norte por la provincias del
Chimborazo y Guayas, al sur Azuay y Guayas, al este
Morona Santiago y al oeste Guayas y Azuay. En esta
provincia existen dos polos de producción de ladrillos
Azogues (Sierra) y Pancho Negro (Costa). Para el primer
caso se utilizan afloramientos de arcillas caoliníticas y
feldespato. En el sector de Pancho Negro la materia prima
se extrae de sedimentos cuaternarios, explotándose
únicamente de 1 a 3 metros de profundidad, éstos poseen
altos contenidos de cuarzo con bajas proporciones de mica,
caolinita y feldespato. [2]
4. Carchi: El Carchi es la provincia más septentrional de la
sierra ecuatoriana, limita al norte con la República de
Colombia, al sur con la provincia de Imbabura, al este con
la provincia de Sucumbíos y al oeste con la provincia de
Esmeraldas. La industria cerámica está concentrada en las
poblaciones del Tulcán, Chapuel y San Gabriel, se trata de
talleres artesanales que fabrican ladrillos y tejas. [14]
5. Cotopaxi: La provincia de Cotopaxi se ubica en la Región
Central del país, está limitada por las provincias de
Pichincha, Napo, Tungurahua, Bolívar y los Ríos. La
industria cerámica gruesa está concentrada en talleres
artesanales ubicados en las ciudades de Latacunga, Pujilí y
Salcedo, y la cerámica fina en la población de la Victoria,
donde se elaboran figuras artesanales de barro y alfarería.
En esta provincia se encuentran los yacimientos más
importantes de pómez y lapilli del Ecuador. [3]
6. Chimborazo: La provincia de Chimborazo se halla ubicada
en el centro de la sierra ecuatoriana, limita al norte con la
provincia de Tungurahua, al sur con la provincia del Cañar
y Azuay, al este con la provincia de Morona y Santiago y
40
Uribe, R.
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
al oeste con las provincias de Bolívar y Guayas. La fuente
de mineral No metálico utilizado en la industria ladrillera
en la provincia está constituida por extensos depósitos de
ceniza volcánica, con componentes feldespáticos y
material amorfo, con color de quema en tono rojizo. [15]
7. El Oro: La provincia de el Oro se encuentra situada al
suroeste del país, junto al Océano Pacífico. La parte
oriental de la provincia pertenece a la cordillera occidental,
el resto pertenece al sector costanero. Dentro del campo de
las materias primas No metálicas tienen significado
aquellas que son para la construcción (arcillas para la
elaboración de ladrillos, gravas y rocas macizas) y para la
cerámica fina (caolín y feldespato). El segundo producto
de explotación después del oro en esta provincia es el
feldespato. [21]
8. Esmeraldas: La provincia de Esmeraldas se ubica en el
noroccidente del Ecuador, limita al norte con la República
de Colombia, al este con el Carchi e Imbabura, al sur con
Manabí, Pichincha e Imbabura y al oeste el Océano
Pacífico. En la provincia existen diversas industrias
derivadas de la utilización de minerales no metálicos, así
como ladrilleras artesanales que abastecen la provincia.[7]
9. Guayas: La provincia del Guayas de encuentra ubicada en
la parte sur-central de la costa ecuatoriana, limita al norte
con las provincias de Manabí y los Ríos, al oeste y sur con
el Océano Pacífico y en el este con las provincias del Oro,
Azuay y Cañar, Chimborazo, Bolívar y los Ríos. De la
producción minera la piedra caliza es la materia prima
mineral más importante a nivel nacional. Existen
abundantes reservas de arcillas en la cuenca del Guayas.
Esta provincia agrupa la producción más alta de ladrillos
de fabricación artesanal o mecanizada en el Ecuador. [6]
10. Imbabura: La provincia de Imbabura pertenece a la región
norte del Ecuador, conocida como al provincia de los lagos
porque en ella se encuentran la mayoría de los lagos del
país. Limita al norte y el oeste-este con las provincias de
Esmeraldas y el Carchi, respectivamente, y al sur con las
provincias de Pichincha y Sucumbíos. Imbabura cuenta
con el mejor yacimiento de cobre del país que es Junín. En
el aspecto minero No metálico, se destacan las minas de
caliza, de donde se obtiene la materia prima utilizada en la
elaboración del cemento. [13]
11. Loja: La provincia de Loja se encuentra ubicad al sur del
Ecuador, limítrofe con el Perú y pertenece a las provincias
de la sierra. A parte de la minería concesionada, se explota
una gran cantidad de materiales para la construcción por
parte de instituciones públicas y empresas constructoras
privadas, como arcilla para ladrilleras, arenas, gravas y
rocas masivas para el mercado local. El centro de la
industria ladrillera se encuentra en el Cantón Catamayo,
asimismo, las ocurrencias conocidas de caolín están
situadas en la parte este de la provincia, sector Salapa de la
parroquia el Valle, dentro de la zona metamórfica de la
Cordillera Real. [10]
12. Los Ríos: Localizada en la región costa del país, también
es conocida como la provincia bananera. Es uno de los más
importantes centros agrícolas del Ecuador. Su territorio
está ubicado en la parte central del litoral del país y limita
con las provincias de Guayas, Santo Domingo de los
Tsáchilas, Manabí, Cotopaxi y Bolívar. [1]
13. Manabí: La provincia de Manabí está ubicada en la región
costanera del país. Se encuentra limitada por las provincias
de Esmeraldas al norte, Pichincha y los Ríos al este,
Guayas al sur y por el Océano Pacífico al oeste. La
industria de minerales No metálicos no está muy
desarrollada, no existe la producción mecanizada de
ladrillos, sin embargo la demanda está satisfecha por la
producción artesanal. Hay dos tipos de talleres de cerámica
artística, los que trabajan con materia prima importada de
quema blanca y, los que trabajan con arcillas de la zona en
la elaboración de figuras con temas folclóricos y de
animales. [4]
14. Morona Santiago: La provincia de Morona Santiago está
ubicada en la parte central-sur de la Región Oriental del
Ecuador, es una de las zonas más extensas del país. El uso
de ladrillos y tejas en esta provincia no está muy
generalizado. Se encuentran depósitos de arcillas
caoliníticas de buena plasticidad, las cuales contienen
como minerales principales cuarzo, caolinita y muscovita,
los que tienen una creciente importancia para las empresas
cerámicas ubicadas en la Sierra. Asimismo, se encuentran
otros afloramientos de arcilla común, que tienen potencial
aplicación para la fabricación de ladrillos y tejas. [11]
15. Napo: Es una de las provincias de la región centro norte
del Ecuador, situada en la región amazónica ecuatoriana
incluye parte de las laderas de los Andes, hasta las llanuras
amazónicas. En esta región existen afloramientos
importantes de azufre y flúor, yacimientos de fosfatos con
alto contenido de flúor y otros elementos, calizas y arcillas,
carbonato de calcio, yeso, bentonita y diatomita. Se detectó
la presencia de caolín de muy buena calidad y presencia de
feldespatos. [17]
16. Pastaza: Situada en la región amazónica del Ecuador,
limita al norte con las provincias de Napo y Orellana, al sur
con Morona Santiago, al este con el Perú y al oeste con la
provincia de Tungurahua. La riqueza mineral No metálica
se centra en importantes reservas de sílice, caolín, arcillas
y calizas que posee, también deben mencionarse sus valles
aluviales que en parte son lavaderos auríferos. [18]
17. Pichincha: La provincia de Pichincha se ubica en la Región
Central o Sierra, al norte del territorio ecuatoriano. Es
andina por encontrarse entre las dos principales cordilleras,
es también volcánica por albergar los macizos montañosos
del Pichincha, Iliniza, Antisana, Cayambe y otros. La
industria de ladrillos y tejas es una importante fuente de
abastecimiento de material para el sector de la construcción
de Quito y sus alrededores. La mayoría de los productos
proviene de fábricas artesanales situadas en la periferia de
la ciudad. Dentro de la industria cerámica, la fábrica de
41
Investigaciones de Materias Primas Minerales No Metálicas en el Ecuador
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
piezas sanitarias EDESA, merece especial atención, dados
los importantes volúmenes de producción. Asimismo, se
debe indicar que en la ciudad de Quito existen numerosos
talleres artesanales para la producción de figuras
decorativas, la mayoría de ellos utilizan materia prima
importada. Pichincha es una provincia no muy rica en
minerales No metálicos, sin embargo, en la parte
occidental (Santo Domingo de los Colorados) se
encuentran importantes afloramientos de arcillas, limos y
lutitas. [9]
18. Tungurahua: La provincia está limitada al norte con las
provincias de Cotopaxi y Napo, al sur con la provincia de
Chimborazo y Morona Santiago, al este con las provincias
de Napo y Pastaza y al oeste con las provincias de Bolívar
y Cotopaxi. Localmente la producción de ladrillos es
escasa, con ladrilleras que trabajan esporádicamente,
principalmente bajo pedido. En la ciudad de Ambato se
encuentra la principal ladrillera mecanizada, que elabora
ladrillos prensados vistos, para abastecer el sector de la
construcción. [8]
19. Zamora Chinchipe: Ésta es principalmente una provincia
montañosa que ocupa los declives y estribaciones
orientales de la Cordillera Real y la Cordillera del Cóndor.
20. Merece destacarse la existencia de extensos depósitos de
arena silícea y feldespato. En Zamora afloran arcillas aptas
para la fabricación de cerámica roja. [12]
3.1 Cuantificación de ocurrencias de minerales arcillosos
Los minerales arcillosos son la resultante de una variedad
importante de procesos geológicos, ya mencionados, dados
bajo extensos rangos de condiciones fisicoquímicas. Aunque
difieren en su mineralogía y en otras propiedades tales como:
tamaño de grano, componentes químicos, arreglos cristalinos,
plasticidad, trabajabilidad, resistencia piroscópica, etc., por
diversas razones, las arcillas funcionan esencialmente de la
misma manera, constituyéndose como el componente
principal para la fabricación, tanto artesanal como industrial,
de distintos productos y piezas cerámicas. En la Tabla 3 se
presenta un resumen de las ocurrencias de minerales arcillosos
inventariados en las provincias del Ecuador. En ésta se
presenta adicionalmente, de acuerdo con los parámetros
registrados en los ítems 2, 6 y 8 de las tarjetas de inventario, el
estado en el que se encuentra la solicitud en el archivo minero,
la situación operativa del afloramiento o mina y, los usos y
mercados a los que se destina el mineral arcilloso. No
metálicos, que el promedio de presencia de minerales
arcillosos, incluidas las arcillas, feldespatos y caolines, en
todas las provincias es del orden del veintiún (21) por ciento.
Destacándose la determinación significativa de ocurrencias
Tabla 3. Ocurrencias de Minerales Arcillosos del Ecuador
Provincia
No.
de
Tar
jeta
s T
ota
les
(M.P
. no M
etál
icos)
No. de Tarjetas
Min. Arcillosos Fase (2) Situación (6) Uso y Mercado (8)
Arc
illa
s
Cao
lín
Fel
des
pat
o
Tota
l M
in.
Arc
illo
sos
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tigac
ión
Pro
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ción
Explo
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San
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ios
Vaj
illa
s
Import
anci
a C
erám
ica
No D
efin
ida
Bal
dosa
s
1 Azuay 172 13 8 0 21 5 1 4 10 1 4 7 7 1 2 4 2 0 3 1 1 4 0 6
2 Bolívar 97 8 0 1 9 3 0 0 6 0 3 5 0 0 1 8 0 0 1 0 0 0 0 0
3 Cañar 78 5 6 2 13 5 0 4 4 0 3 5 3 0 2 1 0 0 6 0 0 3 0 3
4 Carchi 44 13 0 0 13 6 0 1 6 0 4 3 0 0 6 5 2 0 0 0 0 6 0 0
5 Cotopaxi 45 6 0 0 6 2 0 0 4 0 3 1 2 0 0 2 1 0 0 0 0 3 0 0
6 Chimborazo 100 11 0 2 13 1 0 0 12 0 7 4 1 0 1 5 4 0 0 0 0 4 0 0
7 El Oro 50 16 1 3 20 14 0 1 5 0 13 7 0 0 0 16 2 1 1 0 0 0 0 0
8 Esmeraldas 52 19 0 0 19 7 7 1 4 0 1 4 12 0 2 1 1 0 0 0 0 0 17 0
9 Guayas 177 29 0 0 29 3 0 0 26 0 19 6 0 0 4 16 2 0 3 0 0 8 0 0
10 Imbabura 53 10 0 0 10 4 0 3 3 0 1 5 4 0 0 4 2 0 0 0 0 2 2 0
11 Loja 87 8 8 0 16 2 0 4 10 0 6 5 3 0 2 11 3 0 1 0 0 1 0 0
12 Los Ríos 31 11 0 0 11 9 0 1 1 0 0 5 6 0 0 3 0 0 0 0 0 8 0 0
13 Manabí 76 30 0 2 32 10 0 10 12 0 4 7 10 8 3 14 3 0 3 0 0 7 5 0
14
Morona
Santiago 57 15 7 0 22 8 4 3 6 1 8 3 7 0 4 6 6 0 4 3 3 0 0 0
15 Napo 47 2 2 2 6 3 0 0 3 0 0 3 0 0 3 2 0 0 0 0 0 4 0 0
16 Pastaza 35 10 2 2 14 5 0 5 4 0 4 6 0 0 4 4 0 0 0 0 0 5 5 0
17 Pichincha 235 53 0 0 53 6 0 4 23 20 18 0 8 20 7 5 2 0 24 2 2 0 16 2
18 Tungurahua 53 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
19 Zamora 30 5 2 3 10 3 1 0 6 0 5 4 1 0 0 4 3 0 0 0 0 3 0 0
42
Uribe, R.
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
de feldespatos y caolines en provincias distintas a las de
explotación tradicional.
Figura 5. Proporción de ocurrencias de minerales No metálicos en provincias
del Ecuador.
En la imagen de la Fig. 6 se pueden visualizar distintas zonas
de afloramiento y/o yacimientos de minerales arcillosos, se
observa que las zonas de ocurrencia corresponden por lo
general a perfiles geológicos similares.
Figura 6. Imagen de zonas de afloramientos y/o yacimientos de minerales
arcillosos en provincias del Ecuador. ∆: Un afloramiento/mina, ▲: Dos o más
afloramientos/minas.
Figura 7. Proporción de fases de intervención de afloramientos y/o
yacimientos de minerales arcillosos en provincias del Ecuador.
En la imagen de la Fig. 8 se puede observar, de la evaluación
realizada a los distintos afloramientos y/o minas de minerales
No metálicos, que en promedio el 59% de las ocurrencias de
minerales arcillosos, incluidas las arcillas, feldespatos y
caolines, se encuentran en situación de trabajo permanente y/o
temporal, el resto se encuentran en fase por explotar y de
determinación de factibilidad de aplicación en el sector
cerámico del país.
En la imagen de la Fig. 9 se puede observar, de la evaluación
realizada a los distintos afloramientos y/o minas de minerales
No metálicos, que en promedio el 47% de las ocurrencias de
minerales arcillosos, se encuentran dedicadas a la fabricación
tradicional (artesanal) de ladrillos y tejas que satisfacen las
demandas de las provincias, un 14% al sector industrial
productor de cerámica fina y, el resto (39%) se encuentra en
fase de determinación de factibilidad de aplicación en el sector
cerámico del país.
En la imagen de la Fig. 7 se puede observar, de la evaluación
realizada a los distintos afloramientos y/o minas de minerales
No metálicos, que en promedio el 44% de las ocurrencias de
minerales arcillosos, incluidas las arcillas, feldespatos y
caolines se encuentra en fase de explotación, un 54 % en las
fases previas de investigación, prospección y exploración; lo
que señala el potencial minero arcilloso por explotar en el país
Figura 8. Proporción de situación de actividad de afloramientos y/o
yacimientos de minerales arcillosos en provincias del Ecuador.
Figura 9. Proporción de usos y mercados de afloramientos y/o yacimientos de minerales arcillosos en provincias del Ecuador.
4. CONCLUSIONES
El inventario de materias primas No metálicas determinó la
presencia de importantes depósitos minerales en todas las
provincias del Ecuador. En relación con los minerales
arcillosos, se determinó que la ocurrencia de éstos representa
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Investigaciones de Materias Primas Minerales No Metálicas en el Ecuador
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
en promedio alrededor de un 20% de la riqueza mineral No
metálica del país.
En cuanto al uso de la riqueza mineral arcillosa valorada, se
evidenció que cerca de un 50% de la misma se encuentra
dedicada a la fabricación tradicional (artesanal) de ladrillos y
tejas que satisfacen la demanda local de las provincias. Sólo
aproximadamente un 15%s de la riqueza mineral arcillosa es
utilizadas por el sector industrial productor de cerámica fina;
el resto se encuentran en fase de determinación de factibilidad
de uso y aplicación en el sector cerámico, lo que señala el
potencial minero arcilloso por explotar del país.
En resumen, se corrobora que el Ecuador dispone de
importantes recursos No metálicos, que deben ser
aprovechados para su desarrollo integral. Este trabajo aspira
ser una contribución para tal propósito, a la par de coadyuvar
en la divulgación y socialización de la información disponible
en minería no metálica del Ecuador; en lo específico, del
inventario disponible de minerales arcillosos.
Trabajos adicionales como el Proyecto SENESCYT-
Prometeo: “Caracterización de Materias Primas Arcillosas
Nacionales para uso del Sector Cerámico Artesanal y/o
Industrial del Ecuador”, permitirán complementar la
información disponible, una vez realizada la evaluación
tecnológica de las propiedades físico-químicas y cerámicas de
las materias primas arcillosas; generándose el crecimiento y
fortalecimiento de la base de datos, que le permita disponer de
esta información a todos los sectores académicos y
productivos cerámicos del país .
RECONOCIMIENTOS
Este trabajo científico ha sido financiado por el Proyecto
Prometeo de la Secretaría Nacional de Ciencia, Tecnología e
Innovación (Ecuador). El autor quiere agradecer la
colaboración y aportes, para la realización de esta
recapitulación, del Ingeniero Salomón Brito, Especialista en
Geología, adscrito a la Dirección de Geología del INIGEMM;
miembro del equipo técnico del proyecto de Cooperación
Técnica Geológica Alemán-Ecuatoriano y, coautor principal
de varios de los Tomos generados del “Inventario de Materias
Primas Minerales No Metálicas en el Ecuador”.
REFERENCIAS
[1] E. León, J. Gómez y S. Armas. Inventario de Materias Primas No
Metálicas en el Ecuador. Provincia de los Ríos. INEMIN-BGR. Quito, Ecuador 2001.
[2] G. Hunda. Inventario de Materias Primas No Metálicas en el
Ecuador. Provincia del Cañar, Tomo VI. INEMIN-BGR. Quito, Ecuador 1990.
[3] G. Hunda y F. Wolff. Inventario de Materias Primas No Metálicas
en el Ecuador. Provincia de Cotopaxi, Tomo X. INEMIN-BGR. Quito, Ecuador 1994.
[4] G. Hunda y F. Wolff. Inventario de Materias Primas No Metálicas
en el Ecuador. Provincia de Manabí, Tomo XII. INEMIN-BGR. Quito, Ecuador 1995.
[5] G. Hunda, W. Roth. Inventario de Materias Primas No Metálicas
en el Ecuador. Provincia del Azuay, Tomo VII. INEMIN-BGR. Quito, Ecuador 1990.
[6] H. Bosse, L. Arrata y H. Mylius. Inventario de Materias Primas No
Metálicas en el Ecuador. Provincia del Guayas, Tomo V. INEMIN-BGR. Quito, Ecuador 1990.
[7] J. Sosa y F. Wolff. Inventario de Materias Primas No Metálicas en
el Ecuador. Provincia de Esmeraldas, Tomo XIII. INEMIN-BGR. Quito, Ecuador 1995.
[8] J. Sosa y S. Brito. Inventario de Materias Primas No Metálicas en
el Ecuador. Provincia de Tungurahua, Tomo XIV. INEMIN-BGR. Quito, Ecuador 1997.
[9] L. Arrata, S. Brito, J. Sosa y F. Wolff. Inventario de Materias
Primas No Metálicas en el Ecuador. Provincia de Pichincha, Tomo VIII. INEMIN-BGR. Quito, Ecuador 1993.
[10] S. Brito, H. Markwich Sosa. Inventario de Materias Primas No Metálicas en el Ecuador. Provincia de Loja, Tomo II. INEMIN-
BGR. Quito, Ecuador 1990.
[11] S. Brito, H. Markwich Sosa. Inventario de Materias Primas No Metálicas en el Ecuador. Provincia de Morona Santiago, Tomo III.
INEMIN-BGR. Quito, Ecuador 1990.
[12] S. Brito, H. Markwich Sosa. Inventario de Materias Primas No Metálicas en el Ecuador. Provincia de Zamora Chinchipe, Tomo
IV. INEMIN-BGR. Quito, Ecuador 1990.
[13] S. Brito y F. Wolff. Inventario de Materias Primas No Metálicas en el Ecuador. Provincia de Imbabura, Tomo IX. INEMIN-BGR.
Quito, Ecuador 1993.
[14] S. Brito y F. Wolff. Inventario de Materias Primas No Metálicas en
el Ecuador. Provincia del Carchi, Tomo XI. INEMIN-BGR. Quito,
Ecuador 1995.
[15] S. Brito, J. Sosa y E. León. Inventario de Materias Primas No Metálicas en el Ecuador. Provincia de Chimborazo, Tomo XV.
INEMIN-BGR. Quito, Ecuador 1997
[16] S. Brito. Inventario de Materias Primas No Metálicas en el Ecuador. Provincia de Bolívar, Tomo XVI. INEMIN-BGR. Quito,
Ecuador 1997
[17] S. Brito, E. León, y M. Tonato. Inventario de Materias Primas No Metálicas en el Ecuador. Provincia de Napo. INEMIN-BGR.
Quito, Ecuador 2001.
[18] S. Brito y E. León. Inventario de Materias Primas No Metálicas en el Ecuador. Provincia de Pastaza. INEMIN-BGR. Quito, Ecuador
2001.
[19] Secretaria Nacional de Planificación y Desarrollo. Plan Nacional de Desarrollo/Plan Nacional para el Buen Vivir 2013-2017. ISBN
978-9942-07-691-5. Versión digital en www.buenvivir.gob.ec.
Consultado Mayo 2015. [20] W. Roth. Introducción al Inventario de Materias Primas No
Metálicas en el Ecuador. INEMIN-BGR. Quito, Ecuador 1990.
[21] W. Roth, J. Sosa. Inventario de Materias Primas No Metálicas en el Ecuador. Provincia de El Oro, Tomo I. INEMIN-BGR. Quito,
Ecuador 1990.
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Propagación de Incertidumbre en los Patrones de Vibración de Vigas Rotantes
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
1. INTRODUCCIÓN
Los modelos de vigas rotantes cumplen un rol importante
para el análisis preliminar de varias aplicaciones ingenieriles
tales como álabes de turbinas, brazos robóticos, actuadores
mecánicos, etc. El desarrollo de este tipo de modelos, entre
elementales y complejos se ha extendido desde la mitad del
siglo pasado hasta hoy [1]. En el caso de vigas rotantes
esbeltas, se debe destacar que los efectos geométricos junto
con los efectos inerciales son de fundamental importancia en
la modelación de la respuesta dinámica [2].
Para poder mejorar la predictibilidad de los modelos
estructurales se han introducido varios y diferentes tipos de
hipótesis de comportamiento mecánico en la formulación
matemática de aquellos, al menos dentro del contexto
determinístico [2,3]. Sin embargo hay muchos parámetros
involucrados en las ecuaciones, tales como: módulos de
elasticidad, densidad, fuerzas, geometría entre otros; que
están sujetos a incertidumbre debido a aspectos de
producción, operación del sistema, recepción de materiales,
etc. Bajo este contexto es necesario cuantificar los efectos
posibles de la propagación de incertidumbre en la dinámica
de tales estructuras En los trabajos de Fazelzadeh y
colaboradores [4,5] se evalúan diversos aspectos de la
dinámica de vigas rotantes construidas con materiales
funcionales cerámico/metálicos, pero empleando enfoques
determinísticos. Por otro lado, existen algunos trabajos donde
se han efectuado estudios básicos en cuanto al
Propagación de Incertidumbre en los Patrones de Vibración de
Vigas Rotantes
Piovan M.*; Olmedo F.**
*Universidad Tecnológica Nacional- Facultad Regional Bahía Blanca, Facultad de Ingeniería Mecánica, Bahía Blanca,
Argentina
e-mail: [email protected]
** Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE, Departamento de Energía y Mecánica, Sangolquí, Ecuador e-mail: [email protected]
Resumen: En este artículo se efectúan estudios de la propagación de incertidumbre para caracterizar la variabilidad
de respuesta dinámica de vigas rotantes o álabes en cuanto a sus patrones de vibración libre. Se emplea un modelo
básico de viga rotante con flexibilidad por corte (modelo Timoshenko extendido) el cual sirve como modelo
determinístico básico para los posteriores cálculos probabilísticos. En un sistema rotante la incertidumbre se debe a
múltiples factores: solicitaciones, materiales, formas de anclaje, etc. El estudio probabilístico que se conduce
evaluando como inciertos algunos parámetros del modelo matemático, como por ejemplo, las propiedades del
material, el ángulo de conexión de la viga al núcleo rotante, entre otros. Se emplea el Principio de Máxima Entropía
para deducir las funciones de distribución de probabilidades asociadas a los parámetros. Luego se construye el
modelo probabilístico sustentado dentro de una plataforma general de cálculo computacional por el método de
elementos finitos. Se llevan a cabo cálculos de propagación de incertidumbre en la dinámica de vigas rotantes. Y se
observa que la variabilidad en la rigidez del anclaje no afecta sustancialmente la dispersión de las frecuencias,
mientras que la variabilidad de las propiedades materiales afecta en el mismo orden las respuestas de frecuencia
Palabras clave: Vigas rotantes; Modelación probabilística; Método Monte Carlo.
Abstract: In this article, studies of the uncertainty propagation are performed to characterize the variability of
dynamic response of beams or rotating blades in their free vibration patterns. A basic model of rotating flexible
beam shear (extended Timoshenko model) which serves as a basic deterministic model for subsequent probabilistic
calculations is used. In a rotating system, uncertainty is due to many factors: stresses, materials, shape anchor, etc.
The probabilistic study is evaluating driving uncertain as some parameters of the mathematical model, such as
material properties, connection angle of the beam at the rotating core, and others. Maximum Entropy Principle to
derive the probability distribution functions associated with the parameters is used. The probabilistic model based
within a general computing platform calculation by finite element method is then built. Calculations are performed
propagation of uncertainty in the dynamics of rotating beams.
Keywords: Rotating beams; probabilistic modeling; Monte Carlo method.
45
Piovan M.*; Olmedo F.**
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
comportamiento probabilístico de estructuras rotantes,
involucrando incertidumbre en las cargas axiales [7], o bien
en algunos parámetros asociados a las propiedades elásticas
de los materiales funcionales [6]. El propósito de este trabajo
es analizar la dinámica de vigas rotantes teniendo en cuenta
la incertidumbre asociada a diversos aspectos de la
modelación. Por lo que se emplea un modelo linealizado de
viga rotante basada en la teoría de corte de primer orden de
Timoshenko, ampliada para contemplar también el
movimiento extensional. Este modelo matemático se emplea
como el modelo determinístico que aporta, bajo hipótesis, la
base formal para construir el modelo estocástico o
probabilístico [8]. La incertidumbre en el modelo matemático
se incorpora a través de ciertos parámetros materiales
(densidad y módulos de elasticidad) y constructivos como el
ángulo de anclaje.
A cada uno de los parámetros inciertos se le asigna una
variable aleatoria que se haya sujeta a conocer cierta
información “a priori”, como por ejemplo el valor medio o
expectativa y/o región de variación y/o variancias o
coeficientes de variación. Para deducir las funciones de
densidad de las variables aleatorias se emplea el Principio de
Máxima Entropía [9]. Las ecuaciones del modelo se plantean
dentro de una plataforma general de cálculo del método de
elementos finitos a modo de rutina. Luego se emplea la
técnica de Monte Carlo programada en el entorno Matlab y
combinada a la rutina anterior, para efectuar las realizaciones
que corresponden según la convergencia deseada.
Finalmente se procede a evaluar la respuesta estocástica
mediante una serie de herramientas de análisis estadístico:
histogramas en los rangos de frecuencias naturales y
evaluación de las diferencias porcentuales en la dispersión
con respecto a los coeficientes de variación y evaluación de
las diferencias porcentuales en la dispersión con respecto a
los coeficientes de variación.
2. FORMULACIÓN DEL MODELO DETERMINÍSTICO
2.1 Hipótesis básicas y cinemática
El modelo matemático para este estudio se basa en la teoría
de Timoshenko para una viga rotante, empleando un modelo
previamente desarrollado por el primer autor [10] y que en
este trabajo se linealiza [2,11] para evaluar solamente los
aspectos de vibraciones libres. En la Fig. 1 se muestra un
esquema del sistema rotante que consta de una viga con
flexibilidad por corte a flexión y además movimiento
extensional. La viga, de longitud L, se halla empotrada a un
núcleo cilíndrico de radio Ro, en el punto A.
El eje de la viga se halla orientado un ángulo con respecto a
un eje de dirección radial que sale del mismo punto de
anclaje. El núcleo está rotando a una velocidad de rotación
con respecto al eje del núcleo. Se definen tres sistemas de
referencia: {O: XG, YG, ZG}, {O: XR, YR, ZR} y {A:x,y,z},
que son el sistema inercial fijo, rotante e intrínseco de la viga,
respectivamente. Para este estudio se considera solamente el
movimiento confinado en el plano de rotación.
El vector posición de un punto cualquiera de la viga medido en {O: XG, YG, ZG}, luego de la deformación se puede expresar de la siguiente manera:
G
Go
Yyvyux
XyvyuxRUˆcossin
ˆsincos
(1)
En la Ec. (1), u≡u(x, t), v≡v(x, t) y =(x, t) son las variables
cinemáticas del punto de la viga medidos con respecto al
baricentro de la sección de la viga. En efecto, u y v se
identifican a los desplazamientos del baricentro de la sección,
mientras que representa la rotación de la sección.
Figura 1. Esquema de una viga rotante
El vector velocidad del punto se expresa como sigue:
G
G
G
G
YyvyuxR
Xyvyux
Yvyu
XvyuU
ˆsincos
ˆcossin
ˆcossin
ˆsincos
0
(2)
Los puntos sobre las variables identifican derivación temporal.
La velocidad de rotación del núcleo es y se puede calcular
como la derivada temporal del ángulo . Por otro lado, las componentes de deformación en la viga se pueden expresar de la siguiente manera:
v
vyu
xy
xx
22
1 2
(3)
En la Ec. (3), los apóstrofos identifican derivación con
respecto a la variable espacial x. Además, nótese que la Ec.
(3) posee un término no lineal en la componente de
deformación axial. La inclusión de este término es necesaria
para poder contabilizar apropiadamente la rigidización en el
movimiento flexional debida al efecto centrífugo axial [2,
10,11].
2.2 Deducción del modelo estructural
Las ecuaciones de movimiento se pueden obtener por la minimización del siguiente funcional:
02
1
t
tDC dtEEH
(4)
46
Propagación de Incertidumbre en los Patrones de Vibración de Vigas Rotantes
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Donde el símbolo identifica al operador variacional, mientras que EC y ED son la energía cinética y la energía de deformación respectivamente, que se expresan como sigue:
dVkGdVEE
dVUUE
xyV
xxV
D
VC
22
2
1
2
1
(5)
En la Ec. (5), V indica variable y dominio en el volumen. Así que, operando variacionalmente en la Ec. (4) se tiene la siguiente expresión de modelo matemático para una viga Timoshenko rotante:
0
02
0cos2
2
22223322
11
2
111133
0
2
1111
2
111111
JJvJJ
uJvJvNvNvJvJ
RxJvJuJuJuJ
PP
(6)
En la expresión anterior se ha recurrido al concepto de linealización consistente de la teoría de vigas [2,11]. Además con NP se identifica la fuerza axial para un estado de deformación axial estacionario. Las ecuaciones anteriores se hallan sujetas a las siguientes condiciones de borde:
,
0
0
0
,
tan
0
0
0
v
u
Lxv
u
x(7)
Las constantes de las expresiones previas se calculan de la siguiente manera:
S
S
dSyJJ
dSkGEyEJJJ
2
2211
2
332211
,,
,,,,
(8)
Las primeras tres son constantes elásticas seccionales, mientras que las otras dos son constantes inerciales de la sección. En la Ec. (8), S indica variable y dominio en la sección.
2.3 Ecuación dinámica del modelo determinístico
La Ec. (6) permite calcular diversas facetas del problema dinámico de vigas rotantes, aun así en este trabajo se pretende efectuar el estudio sobre vibraciones libres, para lo cual no es necesario evaluar toda la complejidad de las mismas y en cambio descomponer el sistema en dos partes empleando la siguiente transformación para las variables cinemáticas:
dedede vvvuuu ,, (9)
Siendo que los subíndices ‘e’ y ‘d’ identifican componentes estática y dinámica, respectivamente, de las variables cinemáticas. En consecuencia substituyendo Ec. (9) en la Ec. (6) se obtiene dos subsistemas que serán las ecuaciones de equilibrio estático y dinámico, respectivamente, los cuales no se describen por razones de espacio. Para calcular los
autovalores dinámicos o frecuencias naturales se requiere solamente de las ecuaciones diferenciales vinculadas a las variables cinemáticas dinámicas. Otro aspecto de utilidad es la adimensionalización del problema, el cual se logra mediante la siguiente transformación:
LxLvvLuu ddd / , ,/ ,/ (10)
En consecuencia, empleando la Ec. (9), asumiendo
movimiento armónico con frecuencia , y la Ec. (10) en la Ec. (6), extrayendo el subsistema dinámico y manipulando algebraicamente se llega al siguiente conjunto de ecuaciones diferenciales adimensionales:
0
02
02
2242
222
222
vLkL
uivvNvNvLk
viuuL
xsx
PPxs
x
(11)
Las cuales están sujetas a las siguientes condiciones de borde:
,
0
0
0
1,
0
0
0
0
v
u
v
u
(12)
Los términos subrayados en la Ec. (11) corresponden al efecto giroscópico o efecto Coriolis, que en caso de tratarse de velocidades de rotación más bien bajas, su influencia se puede despreciar. La fuerza de rigidización centrifuga, en forma adimensional, se define como:
2
2
1cos
costancos
cossincos
PN
(13)
Además se han definido las siguientes entidades adimensionales:
11
11
22
112
22
11
22
112
, ,
, , ,
J
JL
E
kGk
L
R
J
JL
J
JLL
J
JL
so
x
(14)
2.4 Modelo de elementos finitos
Se emplea una plataforma general del método de elementos finitos [12] donde se programa y resuelve el problema de autovalores que se desprende de la Ec. (11), sujeto a las siguientes restricciones: (a) no se contabiliza la fuerza giroscópica o de Coriolis, (b) en razón de (a) no se utilizaran
parámetros de velocidad de rotación muy altos (i.e. ≤ 0.2). La plataforma de elementos finitos mencionada, permite la descripción del problema empleando la formulación matemática en la forma de ecuaciones diferenciales, para
47
Piovan M.*; Olmedo F.**
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
luego proceder a discretizar el modelo mediante una proyección tipo Galerkin [12].
Así pues, bajo las restricciones fijadas en el párrafo anterior, las ecuaciones a resolver serán:
0
0
0
2242
222
222
vLkL
vvNvNvLk
uuL
xsx
PPxs
x
(15)
En la Ec. (15) el parámetro L corresponde al autovalor del problema, que es la respuesta que se quiere hallar
3. FORMULACIÓN DEL MODELO PROBABILÍSTICO
En esta sección se formula el modelo probabilístico empleando como base formal al modelo determinístico del apartado anterior, aceptando que el mismo da la respuesta media. Para ello se recurre al denominado Enfoque Probabilístico Paramétrico tomando algunos los parámetros de las Ec. (8), (13) y (14) como variables aleatorias. Las funciones de distribución de probabilidades de las variables aleatorias se deducen empleando el Principio de Máxima Entropía [8, 9, 10] apelando a la información disponible sobre los parámetros inciertos.
Se procede por tanto a asumir como inciertos los coeficientes
de propiedades elásticas e inerciales de la Ec. (8) y el ángulo
de anclaje de la viga al núcleo. De manera que para cada uno
de los parámetros del modelo se definen variables aleatorias
caracterizadas por su valor medio y varianza o coeficiente de
variación. Las variables aleatorias V1, V2 y V3 representarán a
los parámetros , E, . Se considera que las variables
aleatorias son independientes, que se conoce la expectativa o
momento de primer orden (coincidente con el valor
correspondiente valor determinístico) y que las mismas están
confinadas por valores finitos y reales. En estas
circunstancias y empleando el Principio de Máxima Entropía
[9] se puede escribir la función de densidad de probabilidades
de cada una de las variables aleatorias como sigue:
,...2,1,1
1 ,
iLU
vvp
ii
iViVi
VV
iULiV (16)
En la cual [LVi, UVi] es la denominada función de soporte unitario de la variable aleatoria Vi. LVi y UVi son los límites inferior y superior de la variable aleatoria i-ésima, fuera de ellos la distribución es nula. Incorporando las distribuciones aleatorias dadas por la Ec. (16) en la Ec. (15) se obtiene la siguiente expresión:
0
0
0
42
2
2
vLkL
vvNvNvLk
uuL
xsx
PPxs
x
(17)
Las letras en negritas identifican a todas las entidades inciertas. En efecto, los parámetros de la Ec. (14) son inciertos
por la incertidumbre en E y en y a través de la Ec. (8). En consecuencia las respuestas de las variables cinemáticas también serán todas aleatorias.
Para generar las muestras aleatorias de cada uno de los parámetros, se usa las siguientes funciones de Matlab,
“unifrnd (Vim-, Vim+)” para la variable V1, o bien la “unifrnd
( )31(),31( iimiim VV )”, para las variables V2 y V3,
siendo Vim la expectativa de la variable aleatoria i-ésima. Luego se emplea el método de Monte Carlo para efectuar las realizaciones independientes y emplean los datos calculados para efectuar el correspondiente análisis estadístico
4. EJEMPLOS COMPUTACIONALES
4.1 Comparaciones previas
El primer estudio corresponde a una comparación entre los resultados obtenidos con el presente modelo determinístico calculado mediante el método de elementos finitos y los resultados de un modelo homónimo [11] pero empleando series de potencias. Así pues en la Tabla I se pueden ver la comparación de los coeficientes de frecuencia a, contrastados con los homónimos del artículo de Lee y Sheu [12]. En tales cálculo se han empleado los parámetros: Lx = 20, ks = 0.32693,
= 0.
Tabla 1: Valores de los parámetros, modelo determinístico Coef. de
frecuencia Modelo para =0 Modelo para =0.05
presente Lee [11] presente Lee [11]
1 3.436 3.436 3.460 3.454
2 19.139 19.139 19.266 19.259
3 31.416 31.416 31.400 31.466
4 46.751 46.751 46.910 46.906
5 79.240 79.240 79.435 79.431
Se puede notar de la Tabla 1 que la correspondencia entre las dos respuestas determinísticas es casi perfecta con leves diferencias del orden de menos de 0.2 %. Con esto es posible apreciar y aceptar como buena la representatividad del modelo empleado en este trabajo, en tanto que correlaciona muy bien con otros enfoques.
4.2 Propagación de Incertidumbre asociada al anclaje
En primera instancia se efectúa un estudio de la propagación
de incertidumbre en la respuesta de vibraciones, asociada a la
incertidumbre en el ángulo de anclaje . Para ello se emplea
solamente la variable aleatoria V1 y se efectúan simulaciones
empleando el generador de números aleatorios “unifrnd (Vim-
, Vim+)”, siendo un parámetro de dispersión máxima. Se
emplearán tres grados de incertidumbre asociada a posibles
errores de montaje con =0.01 a =0.03 (lo que implica
errores menores a 2º sexagesimales). La estructura es tal que
los parámetros para cargar el modelo determinístico son: Lx =
20, ks = 0.32693, =1/7 y =5.
48
Propagación de Incertidumbre en los Patrones de Vibración de Vigas Rotantes
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
En el proceso de simulación por el método de Monte Carlo se han empleado 400 realizaciones de la variable aleatoria V1, manteniendo fijos en sus valores determinístico a las variables aleatorias V2 y V3, es decir V2=1/7 y V3=5.
En la Fig. 2 se muestra un histograma correspondiente a la
respuesta del primer coeficiente de frecuencia, con =0.01, a su vez se indica el valor de la respuesta determinística. En la
Fig. 3 se hace lo propio pero con =0.05. Las respuestas estocásticas de los demás coeficientes de frecuencia son bastantes similares.
Figura 2. Dispersión de la respuesta en 1 con =0.01
Figura 3. Dispersión de la respuesta en 1 con =0.05
Analizando las dos figuras precedentes se puede establecer que la dispersión de la respuesta está contenida dentro de un muy pequeño entorno (menor al 0.1 %), a pesar que la incertidumbre del parámetro de posicionamiento se
incrementó 5 veces (=0.01=>=0.05). Por lo que la
propagación de incertidumbre debida al ángulo ≡V1 en las vibraciones libres de una viga rotante es ínfima.
4.3 Incertidumbre en las propiedades materiales
En este apartado se analiza la incertidumbre asociada a las
variables aleatorias V2 y V3, que repercuten solo en los
parámetros adimensionales de la Ec. (14), , , mientras que
los parámetros ks y Lx no son afectados pues existe
correlación material entre G y E. Además la variable aleatoria
se mantiene constante en su valor determinístico =0.
Se usa la función “unifrnd ( )31(),31( iimiim VV )”,
para generar las realizaciones independientes de las variables aleatorias V2 y V3. Se emplean distintos grados de dispersión identificados con los coeficientes de variación que se hacen
variar entre 5 % y 25 %. Téngase presente que para que las variables aleatorias V2 y V3 correspondan a un proceso estocástico de segundo orden, el valor máximo del coeficiente
de variación tiene que ser tal que 3i . El método de
Monte Carlo se ha empleado con 400 simulaciones, lo que da una convergencia razonablemente rápida para este problema.
Así pues en las Fig. 4 y Fig. 5 se muestran las dispersiones para los coeficientes de frecuencia primero y segundo
empleando i = 0.10. La distribución tiene tendencia al aspecto de la entrada, es decir se asemeja a una distribución uniforme.
Figura 4. Dispersión de la respuesta en 1 con i=0.10 en V2 y V3
Figura 5. Dispersión de la respuesta en 1 con i=0.10 en V2 y V3
En la Fig. 6 se muestra la diferencia entre la respuesta determinística y la respuesta media del modelo estocástico, con respecto al coeficiente de variación de las variables aleatorias V2 y V3.
Figura 6. Error absoluto entre la respuesta determinística y la estocástica.
Se puede observar en la figura precedente que en las primeras tres frecuencias la diferencia es menor al 1.00 %, mientras que
49
Piovan M.*; Olmedo F.**
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
en las frecuencias superiores crece con el incremento de la dispersión en los parámetros del modelo.
Para tener una noción de la magnitud de dispersión de la respuesta y su incremento en la medida que aumenta la incertidumbre de los parámetros del modelo, en la Tabla II se exponen los coeficientes de variación de las respuestas estocásticas de los cinco coeficientes de frecuencia de vibración natural.
Tabla 2: Coeficientes de variación I
Coef. de frecuencia
Coeficiente de variación para V2 y V3
0.05 0.10 0.15 0.20
1 0.035 0.071 0.099 0.137
2 0.013 0.027 0.037 0.051
3 0.005 0.013 0.016 0.017
4 0.055 0.122 0.145 0.150
5 0.037 0.072 0.077 0.113
Se puede observar de la Tabla 2 que en la medida que aumenta la dispersión de las variables aleatorias asociadas a propiedades materiales, también aumenta la dispersión de las respuestas estocásticas. Sin embargo, para todos los coeficientes de frecuencia evaluados, la dispersión se mantiene en valores menores a la dispersión de los parámetros materiales.
5. CONCLUSIONES
En este trabajo se ha efectuado un estudio de la influencia de
la propagación de incertidumbre vinculada a un conjunto de
parámetros que se emplean para modelar una estructura
esbelta rotante. Para dar mayor generalidad a los estudios se
ha empleado un enfoque adimensional en la representación
del modelo matemático de la estructura.
De estos estudios se puede concluir que el efecto de la
variabilidad del anclaje en la respuesta estocástica de la viga
rotante, es ínfima. Por otro, lado la variabilidad en las
propiedades de material sí afecta a la respuesta estocástica.
Aunque en este último caso no se produce mayor
propagación de incertidumbre de la respuesta en relación a la
incertidumbre de las variables de entrada.
AGRADECIMIENTOS Y RECONOCIMIENTOS
Los autores desean reconocer el apoyo y auspicio de la Universidad de las Fuerzas Armadas, ESPE y de la SENESCYT del Ecuador. Además el primer autor desea agradecer el apoyo de la Universidad Tecnológica Nacional FRBB y el CONICET.
REFERENCIAS
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[2] Valencia E., Granja V., Palacios J., Poveda R., Cando E., Hidalgo V, Uncertainty analysis of a test - rig for centrifugal compressors, Revista Politécnica, Vol. 35 No 3. pp. 19-27. Febrero 2015.
[3] J. Simo, L. Vu-Quoc, “A three dimensional finite-strain rod model. part ii: computational aspects”, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol. 58, No. 1, pp. 79-116, 1986.
[4] S. Talebi, A. Ariaei, “Vibration analysis of a rotating Timoshenko beam with internal and external flexible connections”, Archives of Applied Mechanics, DOI 10.1007/s00419-014-0930-2.
[5] S.A. Fazelzadeh, P. Malekzaedh, P. Zahedinejad, M. Hosseini, ”Vibration analysis of functionally graded thin walled rotating blades under high temperature supersonic flow using the differential quadrature method”, Journal of Sound and Vibration, vol.306, pp.333–348, 2007.
[6] S.A. Fazelzadeh, M. Hosseini, ”Aerothermoelastic behavior of supersonic rotating thin-walled beams made of functionally graded materials”, Journal of fluids and structures, vol.23, pp.1251–1264, 2007.
[7] J. Cheng, R.C. Xiao, ”Probabilistic free vibration of beams subjected to axial loads”, Advances in Engineering Software, vol.38, pp.31–38, 2007.
[8] S.A. Hosseini, S.E. Khadem, ”Vibration and reliability of a rotating beam with random properties under random excitation”, International Journal of Mechanical Sciences, vol.49, pp.1377-1388, 2007.
[9] T.G. Ritto, R. Sampaio, “Stochastic drill-string dynamics with uncertainty on the inmposed speed and on the bit-rock parameters”. International Journal of Uncertainty Quantification, vol.2(2), pp.111-124, 2011.
[10] E. Jaynes, Probability Theory: The logic of Science, Vol.1. Cambridge University Press, Cambridge, U.K. 2003.
[11] M.T. Piovan, R. Sampaio, J.M. Ramirez, “Dynamics of rotating non-linear thin-walled composite beams: Analysis of modelling uncertainties”, Journal Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering vol.34, pp. 612-621, 2012.
[12] S.Y. Lee, J.J Sheu, “Free vibration of an extensible rotating inclined timoshenko beam”, Journal of Sound and Vibration vol. 304, pp. 606-624, 2007.
[13] FlexPDE 6.1 student version. http://www.pdesolutions.com
50
Diseño y Construcción del Prototipo de Código Abierto de una Incubadora con Agitación Orbital _________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
1. INTRODUCCIÓN
La filosofía de código abierto ha revolucionado y cambiado
sustancialmente la forma de ver y crear cientos de soluciones
a los problemas cotidianos [1]. Es así, que durante estos últi-
mos años se ha facilitado la obtención de mejoras continuas
de cientos de equipos y herramientas sobre todo en el ámbito
científico y laboral, obteniendo como resultado la reproduc-
ción de herramientas de primera necesidad a menor costo e
incluso con un valor agregado [1, 2].
Las ventajas que presenta el uso de tecnología abierta [3] se
ve reflejada en el crecimiento de proyectos, accesibilidad, la
dependencia tecnológica se minimiza, costos reducidos, entre
otros. En este ámbito los equipos de laboratorio no son la
excepción y por ello se ha planteado el desarrollo del prototi-
po de la incubadora utilizando dichas ventajas. En este ámbi-
to los equipos de laboratorio no son la excepción y por ello se
ha planteado el desarrollo del prototipo de la incubadora
utilizando dichas ventajas. Las incubadoras con agitación
orbital se encuentran constituidas principalmente por la inte-
gración de dos equipos.
El primero es una cámara diseñada para mantener una tempe-
ratura, atmósfera y humedad controladas con el objetivo de
conservar organismos vivos en un entorno adecuado para su
crecimiento. Segundo con un mecanismo de agitación orbital
que se utiliza en los laboratorios para la homogenización y
preparación de combinaciones de sustancias en función de la
aplicación con el objetivo de regular la velocidad de funcio-
namiento.
Diseño y Construcción del Prototipo de Código Abierto de una
Incubadora con Agitación Orbital
Loza Matovelle, D.*; Torres, M.**; Ruilova, M.*; Albán, L.*; Velasco, R.*, Segura, L. J.*; Dabirian, R.*
* Universidad de las Fuerzas Armadas-ESPE, Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica, Sangolquí, Ecuador.
e-mail: {dcloza; maruilova; lmalban; ljsegura; rmvelasco }@espe.edu.ec; [email protected]
**Universidad de las Fuerzas Armadas-ESPE, Departamento de Ciencias de la Vida y de la Agricultura, Sangolquí, Ecuador.
e-mail: [email protected]
Resumen: El artículo describe el desarrollo de un prototipo de código abierto de una incubadora con agitación
orbital. El prototipo consta de tres elementos: Un sistema mecánico que realiza el movimiento orbital, balanceado
dinámicamente para evitar vibraciones. Un sistema térmico aplicando convección forzada, obteniendo una tempera-
tura homogénea en la cámara de incubación con uso de ventiladores. Un sistema electrónico que utiliza una plata-
forma Arduino. También, se programó un controlador de temperatura y velocidad de agitación con precisión de
±0.5°C y ±1 rpm. Se realizó una interfaz humano-máquina para el ingreso de variables como tiempo de trabajo,
velocidad y temperatura del equipo. Las pruebas realizadas en el prototipo son del control de la velocidad de agita-
ción y homogenización de la temperatura en su interior. El desarrollo de este primer prototipo se lo hizo con tecno-
logía abierta y materiales de bajo costo obteniendo niveles similares de eficiencia comparadas con equipos indus-
triales.
Palabras claves: Prototipo, incubadora, código abierto, bajo costo, convección forzada.
Abstract: This paper describes the design of an open-source orbital-shaker incubator prototype. The machine con-
tains three components: A mechanical system which creates the orbital movement and is dynamically balanced in
order to reduce vibrations. A thermal system based on forced convection, which permits to calibrate a homogeneous
temperature inside the incubator chamber while several fans are activated. The electronic system, which is based
on Arduino embedded systems. Furthermore, the temperature and velocity controllers have been programmed with
±0.5 °C and ±1 rpm precision. Besides, it contains a human-machine interface (HMI) which is used to enter operat-
ing parameters such as time, velocity and temperature of the working process. The shaking velocity and homogeni-
zation temperature control were also tested. The prototype construction was made by applying open-source tech-
nology, low cost materials and its behavior is similar to that of industrial equipment.
Keywords: Prototype, incubator, open source, low cost, forced convection.
51
Loza D.; Torres M.; Ruilova M.; Albán L.; Velasco R.; Segura L.; Dabirian R. _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Figura 1. Cuerpo libre de la incubadora para el dimensionamiento de los contrapesos
Un sistema similar realizado en Ecuador sobre una cámara
para simular condiciones ambientales se puede encontrar en
[4].
Debido a la evolución de la tecnología se han logrado des-
arrollar varias formas y diseños relacionados a la incubadora
con agitación. Por tal motivo, existen patentes entre las cua-
les destacamos: “Incubating Orbital Shaker” desarrollada por
Michael D. Manera [5]. Este prototipo consiste en una incu-
badora con agitación orbital que posee un controlador de
temperatura de precisión de 0.1 ºC, interfaz de ingreso de las
variables de rpm, tiempo y temperatura, sensor de vibración,
balanceo estático en el eje excéntrico y transmisión de calor
forzada.
Las incubadoras son equipos de uso continuo, que sirven para
mantener el desarrollo microbiológico progresivo de cultivos
bacterianos especialmente. En los ambientes mencionados se
regula factores de crecimiento en condiciones óptimas como
por ejemplo, la temperatura, la humedad y ventilación.
Además, incluyen la capacidad de controlar temperaturas
extremadamente bajas (microbiológicas), humedad y niveles
de dióxido de carbono y agitación (cultivos celulares). Por lo
tanto, su campo de aplicación es muy útil en varias materias
de estudio tales como: biología celular, microbiología, bio-
logía molecular, bacteriología, micología, hematología, culti-
vos celulares entre otros.
El presente artículo presenta una alternativa tecnológica de
código abierto y bajo costo. Este prototipo de incubadora con
agitación ha sido realizado utilizando plataforma de código
abierto Arduino, tanto para el control de los actuadores como
para el ingreso de datos a través de un HMI (del inglés
Human Machine Interface). Consta además de un mecanismo
de agitación orbital mediante flechas excéntricas. Para la
reducción de vibraciones se diseñó un sistema de balanceo
dinámico. También, se incluye el análisis del sistema térmico
aplicando convección forzada por medio de ventiladores al
interior de la cámara de calor e incubación con una resisten-
cia eléctrica. Finalmente, se realizaron pruebas de funciona-
miento en el prototipo en cuanto a la estabilización de la
temperatura y el control de agitación, comparada con incuba-
doras comerciales obteniendo resultados similares. Es decir la
temperatura fluctúa dentro de un rango de ±1°C lo cual es un
valor común para los equipos comerciales.
2. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO
2.1. Sistema Mecánico.
El sistema refiere a los componentes mecánicos que permiten
a la plataforma de la incubadora poseer un movimiento orbi-
tal [6, 7]. El sistema se compone de una chumacera de piso,
la que se encarga de mantener firme la el eje motriz (Fig. 1).
El mismo gira gracias a la transmisión de potencia que ofrece
un motor a pasos, a través de una banda tipo 3V hacia una
polea en el primero de los ejes que conforman el mecanismo.
En el eje se encuentran ubicados dos masas que hacen la
función de contra pesos. Los cuales se encuentran ubicados a
diferentes alturas y opuestas al sentido del centro de todo el
eje.
En la parte superior se ubica un eje excéntrico que es el que
realiza el movimiento orbital. Para reducir las perturbaciones
o fuerzas vibratorias en la incubadora con agitación se debe
realizar un balance dinámico del mecanismo [8], el mismo
consiste en agregar contrapesos.
La Fig. 1 establece las fuerzas actuantes para el análisis ma-
temático del balanceo dinámico. Aplicando análisis de equi-
librio tanto en fuerzas como en momentos obtenemos:
52
Diseño y Construcción del Prototipo de Código Abierto de una Incubadora con Agitación Orbital _________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Figura 2. Elementos sobre el eje excéntrico para cálculo del torque
Figura 3 Sistema de control y componentes pertinentes para controlador a
través de Arduino
De aquí logramos obtener los valores de los contrapesos y
que serán los encargados de eliminar cualquier tipo de
vibración en la máquina. Así también, el motor tiene la po-
tencia necesaria para mover todo el mecanismo. Calculando
la inercia total del mecanismo y el peso máximo que soporta
la máquina. (Fig. 2).
Mediante el cálculo de la inercia de todos los elementos (4),
que componen el sistema de agitación obtenemos los valores
necesarios para el cálculo del torque en (5).
(5)
(6)
Realizando el debido análisis matemático logramos obtener
los valores de torque necesario para la correcta selección del
motor.
Adicionalmente, el sistema posee dos ejes secundarios o
conducidos, los cuales son el apoyo para que el sistema tenga
un movimiento adecuado y soporte todo el peso de las dife-
rentes muestras ubicadas en la bandeja que está unida a los 3
ejes antes nombrados.
El diseño del mecanismo de agitación permite el desmontaje
de todas las partes para su mantenimiento y limpieza sin que
la máquina sufra algún desperfecto en su funcionamiento.
2.2 Sistema Electrónico y Control.
Contiene componentes eléctricos y electrónicos (Fig. 3) en-
cargados de interpretar y ejecutar los comandos que sean
ingresados por el operador.
El sistema contiene dos sensores de temperatura Pt100 de
clase A [9] los mismos que son utilizados ya que al ser un
equipo médico se necesita gran precisión. El circuito utiliza-
do para acondicionar la señal del sensor es el MAX31865 el
cual, envía la información necesaria para que sea procesado
por un microcontrolador Arduino Mega 2560 [10].
El modelamiento matemático de la incubadora presenta una
función de transferencia lineal, sugiriendo así el uso de una
estrategia de control sencilla pero robusta a la vez. Por lo
tanto, para el control de temperatura se diseñó un controlador
tipo PID [11]. Esta señal que es enviada por el microcontro-
lador permite controlar la cantidad de calor que genera la
resistencia eléctrica por medio del relé de estado sólido.
Otro aspecto a controlar es la velocidad de agitación de la
incubadora. Para ello se implementó un motor a pasos NE-
MA 23 debido a la facilidad de instalación, presencia en el
mercado, al alto torque de parada, torque constante en cual-
quier etapa de control, pero más significativamente debido a
la facilidad de control. Al ser un motor a pasos se requiere de
un tren de pulsos que gobierne la rotación de este actuador, es
así que se incorporó un Arduino Nano [12] que envía las
señales en función de la velocidad ingresada por el usuario.
Es importante recalcar el hecho de que la incubadora es un
equipo que requiere de un control preciso de las variables de
operación. Las señales enviadas para el funcionamiento del
motor son recibidas y procesadas por el driver MD556 que se
encuentra a nexo a una fuente de alimentación dedicada al
motor de 24VDC y 140W.
La incubadora con agitación posee una interfaz que facilita al
usuario ingresar los datos y mantener un control de funcio-
namiento en tiempo real del sistema evitando errores por falta
de información.
Todo el sistema es complementado con luces piloto de color
verde y rojo, las cuales indican el estado de funcionamiento
de la máquina. Así también, por un botón de emergencia el
cual bloquea todo el sistema de agitación y de incubación en
caso de ocurrir accidentes como derrame de las muestras,
entre otros. Finalmente, se instaló un interruptor de dos posi-
ciones para el encendido y apagado de todos los sistemas del
equipo, el mismo que está conectado directamente al sistema
de energía principal.
53
Loza D.; Torres M.; Ruilova M.; Albán L.; Velasco R.; Segura L.; Dabirian R. _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Figura 4. Sistema Térmico
2.3 Sistema Térmico
Su función es generar el calor y además de transferir el mis-
mo desde el origen (resistencia eléctrica) hacia la cámara de
incubación (Fig. 4) [13, 14]. El calor es distribuido a través
de ventiladores que se encargan de mantener una temperatura
homogénea dentro de la misma. El principal objetivo es tener
un ambiente controlado y homogéneo en todos los puntos
donde se ubican las muestras o cultivos a incubar y agitar.
El requerimiento del diseño de la cámara de incubación es
que debe ser completamente hermética, es decir, que no exis-
ta ninguna fuga o escape de calor hacia el exterior.
El requerimiento del diseño de la cámara de incubación es
que debe ser completamente hermética, es decir, que no exis-
ta ninguna fuga de aire hacia el exterior y viceversa. Esto no
solo que ayuda a que las muestras no se contaminen, sino que
también tiene una connotación desde el punto de vista técni-
co. Un ambiente hermético requiere menos consumo de
energía lo que deriva en una mayor eficiencia productiva de
la máquina.
Con este antecedente, se ha definido al sistema térmico en
dos cámaras separadas a través de una rejilla diseñada para el
adecuado flujo de aire. La primera es una cámara de calenta-
miento en la cual se encuentra ubicada una resistencia eléc-
trica de 800 W, con suficiente potencia para calentar el vo-
lumen de aire contenido. Una de las características a destacar
del actuador de esta cámara es que su geometría garantiza la
calefacción homogénea del aire en todo el espacio.
En la frontera de las dos cámaras, se encuentran ubicados
estratégicamente cuatro ventiladores, los mismos que cum-
plen un papel muy importante en la distribución del aire ca-
liente que circulará de la cámara de calentamiento a la de
incubación. Los ventiladores se encargan de transferir el aire
desde la cámara de incubación hacia la cámara de calenta-
miento y viceversa.
Los ventiladores están debidamente controlados para que el
flujo de aire presente tenga las condiciones necesarias para
funcionar a una temperatura correcta (Fig. 5). La segunda, la
cámara de incubación, es el lugar donde se encontrarán las
muestras, las cuales necesitan de un ambiente con una tempe-
ratura constante. Además, una cámara de incubación requiere
de flujo de aire laminar a fin de evitar variaciones bruscas o
una mala homogenización del aire en su interior. Este tipo de
transmisión de calor es denominada transferencia por con-
vección forzada.
Figura 5. Simulación software CAD distribución del aire
Una parte fundamental al momento de la conservación de
energía al interior de la incubadora es el aislamiento de la
misma. Esto se logró mediante el uso de láminas que reducen
casi en su totalidad la transferencia de calor hacia el exterior,
el aislamiento llamado “thermolon”, es de excelente propie-
dades térmicos además de no ser abrasivo [15].
Finalmente, la compuerta de acceso que es de polimetilmeta-
crilato, el cual permite en menor escape de energía con rela-
ción a otros materiales como el vidrio [14]
54
Diseño y Construcción del Prototipo de Código Abierto de una Incubadora con Agitación Orbital _________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Figura 6. Homogenización de la temperatura en la incubadora con agitación
Figura 7. Controlador Proporcional del Motor
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Mediante la investigación se construyó el primer prototipo de
la incubadora con agitación orbital con resultados favorables
tanto de la circulación del aire al interior (homogenización),
así como en el control de temperatura y velocidad deseada.
Mediante el uso de un software CAD de ingeniería se realizó
una simulación del sistema de calentamiento, tomando en
cuenta las características de los actuadores que son parte de la
misma. Entre los diferentes ensayos, se logró una ubicación
que favorece a la recirculación y homogenización del aire al
interior de la cámara de incubación. Con lo cual se logra que
todo el sistema se mantenga en una temperatura constante
(Fig. 6).
La homogenización del flujo de aire, el siguiente paso fue
obtener una temperatura estable en toda la cámara de incuba-
ción. Para lo cual, tomamos tres puntos de control al interior
de la cámara de incubación, con la ayuda de sensores de
temperatura.
Tomando en cuenta el rendimiento de equipos de laboratorio,
se realizó el control y la calibración de todos los sensores y
actuadores de nuestro equipo, obteniendo un controlador de
temperatura (Fig. 6) que se asemeja a los equipos comercia-
les, como es el caso de una incubadora con agitación LAB-
NET 311DS [16] el cual tiene parámetros similares de fun-
cionamiento como lo es la temperatura y velocidad.
Figura 8. Prototipo final incubadora con agitación orbital propuesto
Para el controlador en la parte de la velocidad se diseñó un
controlador tipo proporcional, con el cual se reduce los pul-
sos por minutos cada cierto tiempo, provocando un incremen-
te de velocidad de constante aproximadamente dos revolu-
ciones por minuto (Fig. 7).
Se ha desarrollado una interfaz hombre – máquina en la cual
el usuario debe ingresar los parámetros deseados tales como:
temperatura, velocidad angular y tiempo de funcionamiento.
El sistema tiene un módulo GSM que de manera remota pue-
de avisar al celular que el proceso se ha terminado con éxito
o ha sucedido algún error en la ejecución.
En la Fig. 8 se encuentra el prototipo de la incubadora con
agitación orbital. Teniendo en su parte frontal un panel de
control, y en su parte interior la cámara de incubación, la
bandeja de la misma y los soportes de los Erlenmeyers.
4. CONCLUSIONES E INVESTIGACIONES FUTURAS
Se diseñó y construyó un prototipo de incubadora con agita-
ción orbital de código abierto y de bajo costo. Un equipo
comercial con control de temperatura y movimiento orbital
está alrededor de 10000 dólares en el mercado actual, en el
desarrollo de nuestro prototipo se gastó alrededor de 1500
dólares. Dicho ahorro proviene de dos fuentes: el uso de
microprocesador de Arduino para control del proceso de
temperatura y agitación. Segundo, el ahorro inherente que
viene con la construcción de partes metálicas del equipo, en
contraparte a comprar las partes construidas.
55
Loza D.; Torres M.; Ruilova M.; Albán L.; Velasco R.; Segura L.; Dabirian R. _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
El cual consta de un mecanismo de agitación de movimiento
orbital controlado electrónicamente por un controlador PID
con incremente de 1 rpm. Además, se incluye un sistema de
balanceo dinámico para reducir las vibraciones ocasionada
por las flechas excéntricas del mecanismo. Incluyendo un
sistema térmico empleando la transferencia de calor por con-
vección forzada y un controlador de temperatura con una
precisión menor a 0.5 C. También posee una HMI para el
ingreso de las variables de temperatura, velocidad de agita-
ción y tiempo de trabajo empleando “hardware” y “software”
de código abierto [17].
El sistema térmico es diseñado por convección forzada. Con-
siste principalmente por una cámara de calentamiento donde
se encuentra la niquelina. Se utilizó cuatro ventiladores para
poder homogeneizar la temperatura en toda la zona de incu-
bación. Se ubicaron dos ventiladores encargados de recircular
el aire. También, otros dos ventiladores para expulsar el calor
acumulado desde la zona que se encuentra la resistencia eléc-
trica hacia las muestras colocadas en el equipo.
El control de la velocidad de agitación es muy importante al
momento de realizar los ensayos, gracias al tipo de motor
usado (motor a pasos), su funcionamiento es más sencillo y
sobre todo preciso, ya que al tener el control de los pulsos
gracias a un controlador tipo proporcional.
La rentabilidad económica de la construcción de nuestro
prototipo es muy importante comprada con las encontradas
en el mercado internacional teniendo un costo menor de
aproximadamente un 50 % constituyendo una alternativa en
nuestro país de fomentar la innovación y fabricación de estos
equipos. Reduciendo así las tasas de importación de los mis-
mos que son de alta utilización en los laboratorios, con una
calidad óptima para el desarrollo de la docencia, utilizando
los mismos recursos y el conocimiento técnico multidiscipli-
nario de la universidad.
AGRADECIMIENTOS
Parte muy importante de este proyecto son las personas que
trabajan en el Laboratorio de Procesos de Manufactura de la
Universidad de las Fuerzas Armadas – ESPE. El presente
trabajo fue patrocinado por el Proyecto Prometeo de la Se-
cretaría de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Inno-
vación de la República del Ecuador.
REFERENCIAS
[1] J.M. Pearce, Open-Source Lab: How to Build Your Own Hardware
and Reduce Research Costs, Elsevier. 2013. [2] M. Jakubowski, Open Source Ecology: Civilization start kit. 2012.
Available: http://opensourceecology.org/wiki/Civilization_ Start-
er_Kit_DVD_v0.01/es [3] D. K. Fisher, P.K. Gould, Open-Source Hardware Is a Low-Cost
Alternative for Scientific Instrumentation and Research, Modern In-
strumentation, 1, 2012, 8-20. [4] T. Oviedo y M. Fajardo, Diseño y construcción de una cámara para
simular condiciones ambientales a 7000 m.s.n.m, Rev. Politécnica.
31(1),2012, 46–51.
[5] M.D. Manera, M, Yankowy, M. Elefante y H. Busch, Incubating orbital shaker. US20080056059 A1. 2008
[6] R. Norton, Diseño de Maquinaria, Ed Mc Graw Hill, 2009
[7] R. Mott, Diseño de elementos de máquina, Ed Pearson Education, 2006 [8] R. Norton, Cinemática y Dinámica de Mecanismos, Ed Mc Graw Hill.
2011
[9] R. Bishop, The Mechatronics Handbook, Ed CRC Press, 2002 [10] A. Gibb, Building Open Source Hardware. Addison-Wesley. 2015
[11] B.C. Kuo, Sistemas de Control Automático, Ed Prentice Hall Hispa-
noamerica S.A. 2004 [12] Arduino Nano, 2015. Available:
http://www.arduino.cc/en/pmwiki.php?n=Main/ArduinoBoardNano
[13] Y. Cengel, Transferencia de Calor y Masa - Un Enfoque Práctico, Ed Mc-Graw Hill, 2007
[14] J.P. Holman, Transferencia de Calor. Mc-Graw Hill, 2013
[15] Polylon: Ficha técnica de nuestros productos- Thermolon. 2008, Available: http://www.polylon.com/es/marcas-productos/thermolon
[16] 311DS environmental shaking incubator Data Manual, LabNet, 2010.
Available: http://northamerica.labnetinternational.com/products/311ds-shaking-incubator
[17] R. Herrera, “Herramientas de Software Libre para Aplicaciones en
Ciencias e Ingeniería”, Rev. Politécnica, 32, 2013, pp 2-8.
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Modelos de Gobierno TI para Instituciones de Educación Superior _________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
1. INTRODUCCIÓN
El concepto de gobierno de las Tecnologías de la
Información (Gobierno TI) nace a mediados de los años 90 y
ha ido madurando y creciendo desde entonces, abarcando
cada vez más temas y áreas, hasta convertirse en una
disciplina en sí misma. Algunas de las definiciones más
aceptadas son de Luftman: “El gobierno de las TI es la
selección y utilización de relaciones, tales como alianzas
estratégicas, para alcanzar las principales competencias en
TI” [1]. El Gobierno TI consiste en una estructura de
relaciones y procesos destinados a dirigir y controlar la
empresa, con la finalidad de alcanzar sus objetivos [2].
Si bien el concepto de Gobierno TI fue creado para establecer
una serie de procedimientos y normas a nivel de gestión
informática, con el fin de integrar estas tecnologías en una
empresa; se considera que ya es momento para ampliar sus
alcances a toda la sociedad en sí misma, para lo cual es
necesario diseñar modelos de Gobierno TI para entornos más
específicos como por ejemplo para las Universidades[2].
Las tecnologías de la información (TI) requiere una inversión
importante, que afecta al 10.5 % de los ingresos para algunas
empresas [3]. El hecho de contar con la implementación de las
TIC no supone por sí misma una ventaja competitiva para las
organizaciones. Es la gestión de esas tecnologías la que puede
Modelos de Gobierno TI para Instituciones de Educación Superior
*Morales J. V.
*Universidad Técnica de Ambato, Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial
e-mail: [email protected]
Resumen: La complejidad del Gobierno de las Tecnologías de la Información (Gobierno TI) en las universidades
ha aumentado de manera intratable. Esto hace muy difícil a los responsables de TI de las universidades desarrollar e
implementar planes de inversión en TI. Los modelos de Gobierno TI ayudan a informar las decisiones, y garantizar
que las opciones de diseño sean consistentes con la estrategia de la empresa. Existen modelos en los cuales se han basado
para implementar el gobierno de las TI para las Instituciones de Educación Superior (IES) como: COBIT (Objetivos
de Control para la Información y Tecnologías Relacionadas), JISC (Comité de Sistemas de Información Conjunta)
en el Reino Unido, MGTIU (Modelo de Gobierno de las TI para Universidades) en España, y la norma ISO
38500:2008. En el Sistema Universitario Español (SUE) el uso de sistemas de Gobierno TI está muy poco
extendido; sin embargo, la Conferencia de Rectores de las Universidades Españolas (CRUE) promovió el diseño e
implantación de un modelo de Gobierno TI propio. En el presente artículo, se realiza un análisis de los diferentes
modelos de referencia que se han adaptado para la implementación de Gobiernos TI en las IES. La revisión y
análisis de la bibliografía existente sobre Gobiernos TI permite destacar la existencia de modelos específicos para
determinadas regiones, adaptados de normas de aplicación general, pero no como resultado de una aplicación
específica para entornos académicos de nivel superior.
Palabras clave: Gobierno TI; Tecnologías de la información; Universidades; Instituciones de Educación Superior.
Abstract: The complexity of the Government of the Information Technology (IT Governance) in universities has
increased so intractable. This makes it very difficult for IT managers at universities develop and implement IT
investment plans. IT Governance models help inform decisions, and ensure that the design options are consistent
with company strategy. There are models which have been based to implement IT governance for Higher Education
Institutions (HEI) as COBIT (Control Objectives for Information and Related Technology), JISC (Joint Information
Systems Committee) in the UK MGTIU (Model IT Governance for Universities) in Spain, and ISO 38500: 2008. In
the Spanish University System (SUE) use of government IT systems it is very little extended; however, the
Conference of Rectors of Spanish Universities (CRUE) promoted the design and implementation of a model of self-
government IT. In this article, an analysis of the different reference models that have been adapted for the
implementation of Government IT in HEI is performed. The review and analysis of existing literature on
Government IT allows us to highlight the existence of specific models for specific regions, adapted from rules of
general application, but not as a result of a specific application for top-level academic environments.
Keywords: IT Government; Information technology; Universities; Higher Education Institutions.
57
*Morales J. V.___________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
dar una ventaja para el éxito de estas. De acuerdo a esto,
apropiarse de un modelo de gobierno TI, para esta gestión, es
un elemento clave para el cumplimiento de los objetivos de la
empresa [4].
Actualmente, el Gobierno TI especialmente en empresas, se
extiende rápidamente, la mitad de las organizaciones
encuestadas reconocen haber implantado o estar en proceso de
implantación de elementos propios del Gobierno TI. Además,
el Gobierno TI está demostrando su efectividad y rendimiento
a la hora de obtener el máximo valor de las TI para las
organizaciones, el 65 % de los responsables TI que ya han
implantado estos sistemas reconocen que son efectivos [6].
Existen modelos de Gobierno TI que se han desarrollado y
adaptado con el fin de que sean aplicados en las Instituciones
de Educación Superior (IES). En el ámbito internacional
existen universidades que han llevado a cabo iniciativas de
implantación de Gobierno TI a nivel particular. Algunas de
ellas están utilizando COBIT (Objetivos de Control para la
Información y Tecnologías Relacionadas) para implantar un
modelo de Gobierno TI, como por ejemplo South Louisiana
Community Collage. Otras universidades diseñan sus propios
modelos de Gobierno TI en base a la literatura. Así por
ejemplo: la Universidad de California, incluye en su Plan
Estratégico de las TI elementos propios de un modelo de
Gobierno TI [7]. La complejidad del Gobierno TI en las
Instituciones de Educación Superior ha aumentado de manera
intratable [8].
Una frustración de las autoridades de las organizaciones sin
fines de lucro, como el caso de las universidades, es que la
mayoría de los marcos de referencia y criterios de medida se
han diseñado para mejorar las organizaciones con ánimo de
lucro, como las empresas en general, donde las medidas del
rendimiento de los beneficios, el valor de los agentes
implicados y el valor de la empresa para la sociedad están
definidos. Los directivos o autoridades de las organizaciones
sin ánimo de lucro necesitan un modelo de Gobierno TI
diferente que les ayude en sus estrategias [6, 9].
Esto hace muy difícil a los responsables de TI de las
universidades desarrollar e implementar planes de inversión
en TI. Los modelos de Gobierno TI ayudan a informar las
decisiones y garantizar que las opciones de diseño sean
consistentes con las estrategias de la empresa. Las TI
conllevan una gran importancia en la mejora de los negocios
dentro del mundo empresarial [10].
Existen modelos en los cuales se han basado para
implementar el Gobierno TI en las Universidades como:
COBIT, JISC (Comité de Sistemas de Información Conjunta)
en el Reino Unido, MGTIU (Modelo de Gobierno TI para
Universidades) en España, y la norma ISO 38500:2008
(Organización Internacional de Normalización).
Los responsables TI de las universidades tienen que
comenzar por conocer con detalle la norma ISO 38500
(2008) e incorporar a su organización el modelo que propone
gobernar las TI a partir de tres acciones: Evaluar, Dirigir y
Monitorizar [11].
La organización de este artículo es como sigue. La sección II
hace referencia al Marco de los Gobiernos TI como una
estructura conceptual básica usada para resolver y responder
a temas complejos. La sección III analiza los modelos de
Gobierno TI aplicados al entorno de las IES. La sección IV
hace referencia a la importancia de los Gobiernos TI
aplicados en el contexto de las Universidades. La sección V
se refiere a la implementación del Gobierno TI en una IES.
La sección VI describe el proceso para implantar el Gobierno
TI en una Universidad.
Finalmente, se incluye las conclusiones a las que se ha
llegado al finalizar el presente trabajo y las referencias a las
cuales se han acudido para sustentar las mismas.
2. MARCO DE GOBIERNO DE TI
Un marco de gobierno consiste en una estructura conceptual
básica usada para resolver y responder a temas complejos; un
facilitador de gobierno; un conjunto de conceptos, hipótesis y
prácticas que definen cómo se puede afrontar o entender algo,
las relaciones entre las entidades involucradas, los roles de
aquellos involucrados y las fronteras [5].
Según otros autores el marco de Gobierno TI es un conjunto
de métodos y prácticas que permiten establecer: criterios de
información exigidos por los requisitos de negocio, procesos
de negocio y recursos a utilizar. Las necesidades del marco es
asegurar el alineamiento con los objetivos de la organización,
determinar y mitigar los riesgos empresariales, asegurar el
cumplimiento normativo de forma general, proveer
formalmente los recursos apropiados y hacer el seguimiento
de la aportación de las TI al negocio [12].
La dirección de las empresas se ve en la necesidad de
justificar el valor de las importantes inversiones en las TICs,
asegurar el cumplimiento normativo a la vez que se
minimizan los riesgos en un entorno sujeto a amenazas
internas y externas. Estos factores han propiciado la aparición
de modelos, metodologías y prácticas (ITIL (Biblioteca de
Infraestructura de Tecnologías de Información), COBIT,
ISO/IEC (Organización Internacional de Normalización /
Comisión Electrotécnica Internacional), etc), dirigidas a
garantizar un mejor gobierno o un rendimiento más óptimo
de las TIC en las organizaciones [13].
Existen algunos marcos de referencia para el gobierno de las
TI, entre los más conocidos probablemente se encuentren
COSO, COBIT, ISO/IEC 38500, etc. [14].
Una de las más recientes es la norma ISO/IEC 38500: 2008.
Es la primera de una serie de normas de gobierno de TIC; su
objetivo es proporcionar un marco de principios para que la
dirección de las organizaciones lo utilice al evaluar, dirigir y
monitorizar el uso de las TICs [15].
58
Modelos de Gobierno TI para Instituciones de Educación Superior _________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
La ISO/IEC 38500:2008 es la primera norma internacional
que trata sobre el concepto de Gobierno TI en las
organizaciones. Esta norma, denominada “Corporate
governance of information technology” fija los estándares
para el buen gobierno de los procesos y decisiones
empresariales relacionadas con los sistemas y tecnologías de
la información. Fue publicada en junio de 2008 en base a la
norma australiana AS8015:2005 [11].
3. ANALISIS DE MODELOS DE GOBIERNO TI EN LAS
UNIVERSIDADES
Un modelo es un modo de describir un conjunto de
componentes y de cómo esos componentes se relacionan
entre ellos para describir el funcionamiento principal de un
objeto, sistema o concepto [11].
Hasta 2008, no existe ningún estudio que revele cuál es la
situación del Gobierno TI, en el caso específico de
universidades españolas, y por tanto de sus procesos. La
primera referencia es la encuesta de satisfacción llevada a
cabo por Fernández, A. Esta encuesta pone de manifiesto que
durante los últimos años ha existido una importante
evolución positiva en cuanto a la existencia de planes
estratégicos específicos para las TIC o de la aparición de
objetivos TI en los planes estratégicos institucionales de las
universidades españolas, pasándose del 12 % en 2004 al
70 % a finales de 2007 (Fig. 1) [6].
También se puede observar en la Fig. 1 que en el 2004 el
73 % de las universidades no disponían de ninguno de estos
aspectos, mientras que a finales de 2007 sólo el 15 % de las
universidades españolas no tienen desarrollado un plan
estratégico TIC o diseñados sus propios objetivos
estratégicos de las TIC [6, 14].
Figura 1. Evolución de la disponibilidad de planes estratégicos de las TIC en
el SUE en el periodo 2004-2008
De la revisión de la literatura y de las publicaciones se
encontraron modelos en los que se basa la implementación del
Gobierno TI para Universidades como: COBIT, JISC, Norma
ISO 38500:2008 y MGTIU, de los cuales se obtiene lo
siguiente:
3.1 Modelo para implementar Gobierno TI basado en COBIT
Según los investigadores el modelo de referencia más
utilizado es COBIT [16], por ello se pasó a estudiar la
posibilidad de utilizar COBIT en el SUE (Sistema
Universitario Español) al igual que lo están haciendo algunas
universidades norteamericanas; pero pronto se descartó esta
herramienta por ser demasiado voluminosa y compleja a la
hora de implantarla, lo cual podría provocar un cierto rechazo
entre los responsables de las TI en las universidades. Por lo
que se requería un modelo más sencillo y que se adapte al
entorno universitario, para animar a los responsables de las TI
de las universidades a implementarlo y a consolidar una
cultura de Gobierno TI [14].
3.2 Modelo para implementar Gobierno TI basado en JISC
Las características antes indicadas se encontraron en el
modelo diseñado por el JISC para las universidades del Reino
Unido [17]. Este modelo se valora positivamente ya que se
considera un modelo sencillo, que cuenta con herramientas
de apoyo fáciles de utilizar y con una alta adaptación al
ambiente de las instituciones de educación superior.
Sin embargo, la aparición de la norma ISO 38500 en junio de
2008, provoca que se descarte la utilización del modelo JISC,
pues no incluye los aspectos novedosos de la nueva
normativa internacional [14].
3.3 Modelo para implementar gobierno TI basado en la
norma ISO/IEC 38500
ISO/IEC forman el sistema especializado para la
normalización en todo el mundo. Debido a las debilidades de
los modelos anteriores para aplicar en las IES, se decide
diseñar un nuevo modelo de Gobierno TI para Universidades,
que este adaptado al entorno universitario, cuyo modelo de
referencia incluya los principios de la norma ISO 38500 [18],
que se apoye en herramientas que ayuden a implantarlo y
sean fáciles de utilizar y que recoja las principales
características del modelo JISC, que es un referente muy
interesante. El modelo que se diseñe debe ser compatible con
COBIT y con otras herramientas y estándares (ITIL, ISO,
etc.) y debe explotarse de manera complementaria a estas.
ISO/IEC 38500:2008 indica que el gobierno corporativo de
TI consiste en evaluar y dirigir el uso de las TI para apoyar la
organización y el seguimiento de este uso para lograr los
planes. Incluye la estrategia y las políticas para el uso de TI
dentro de una organización [11].
ISO/IEC 38500:2015 define el Gobierno TI como un
subconjunto o dominio del gobierno de la organización, o en
el caso de una corporación, como gobierno corporativo. Esta
norma es aplicable a todas las organizaciones, incluidas las
públicas y las empresas privadas, entidades gubernamentales
y organizaciones sin fines de lucro; además, es aplicable a las
organizaciones de todos los tamaños desde el más pequeño
hasta el más grande, independientemente de la extensión de
su uso de las TI [11].
59
*Morales J. V.___________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
3.4 Modelo de Gobierno de las TI para Universidades
(MGTIU)
Tras fijar estos requisitos, los investigadores diseñaron el
Modelo de Gobierno de las TI para Universidades (MGTIU),
cuyo primer usuario debe ser el Sistema Universitario
Español, que fue presentado a la Sectorial TIC de la
Conferencia de Rectores de Universidades Españolas
(CRUE) en octubre de 2008 y validado por sus miembros en
diciembre del mismo año. El principal objetivo de la CRUE
ha sido aumentar la cultura de gobierno de las TI en las
universidades con el fin de impulsar la implantación de
sistemas de gobierno de las TI en sus campus [19].
La estructura general del MGTIU se basa en tres capas en
cascada: la superior estaría ocupada por los principios de la
ISO 38500, la intermedia serían Objetivos TI (diseñados
específicamente para el MGTIU), que dan soporte a los
principios y sirven como referencia a los procesos TI, que
ocupan la tercera capa y son propios de cada universidad
(Fig. 2) [6]. La idea de dividir el modelo en tres capas, donde
las dos inferiores son los Objetivos TI y los procesos TI, no
es original puesto que esta estructura ya ha sido utilizada en
modelos anteriores (JISC, COBIT). Lo novedoso en este caso
es que la capa superior no la ocupan los objetivos de negocio
sino los principios de la ISO 38500 [6].
El MGTIU es totalmente compatible con la norma
internacional ISO 38500 y propone la utilización de todos los
elementos presentes en dicha norma. Los responsables TI de
las universidades tienen que comenzar por conocer con
detalle la norma ISO 38500 (2008, 2015) e incorporar a su
organización el modelo que propone gobernar las TI a partir
de tres acciones: Evaluar, Dirigir y Monitorizar (Fig. 3) [11].
El MGTIU también va a utilizar las guías propuestas por la
ISO 38500 para diseñar su propio Catálogo de Buenas
Prácticas (CBP), pero sobre todo, el MGTIU utiliza los 6
principios de la norma internacional (responsabilidad,
estrategia, adquisición, rendimiento, cumplimiento y
componente humano) cómo pilares del propio modelo.
Figura 2. Diseño en tres capas en cascada que incluye a los Objetivos TI del
MGTIU
Figura 3. Modelo del Gobierno Corporativo TIC. Norma ISO 38500
Analizados los cuatro modelos se puede considerar que hay
muy pocos referentes a Gobierno de TI, específicos para
aplicación en Universidades. El modelo MGTIU es uno de
los creados específicamente para las IES, pero no se tienen
todavía resultados que certifiquen que se han obtenido
resultados positivos de su implantación (ver Tabla 1).
Tabla 1. Bondades de los Modelos de Gobierno TI para las IES
Modelos Compatible
con
estándares
Ventajas y/o
desventajas Diseñado para
uso en las IES
COBIT No Voluminoso y
complejo No
JISC No Sencillo. No
pasa prueba piloto
Sólo para
Universidades Británicas
ISO
38500 Si
Orientado al
mundo empresarial
Orientado para
empresas
MGTIU Si
Específico
para
Universidades
Sólo para
Universidades
españolas
4. IMPORTANCIA DEL GOBIERNO TI PARA LAS
UNIVERSIDADES
Las principales responsabilidades relacionadas con la
planificación del Gobierno de las TI deben recaer y ser
apoyadas directamente por las más altas autoridades
universitarias (Rectores, Vicerrectores, Decanos, etc.). Para
que la implantación de un sistema de Gobierno TI sea
efectivo, la IES debe cumplir con los siguientes
requerimientos [7]:
Establecer su estrategia de TI y alinearla con la estrategia
global de la IES.
Determinar responsables de la planificación estratégica
de las TI, de la toma de decisiones y de la explotación de
las TI.
Ahorrar costes en las inversiones de TI, estableciendo
una gestión por proyectos y priorización de inversiones.
60
Modelos de Gobierno TI para Instituciones de Educación Superior _________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Disminuir los riesgos propios de las TI gracias a una
adecuada gestión.
Disponer en todo momento de una evaluación y
seguimiento del rendimiento de los procesos y servicios
basados en TI mediante los indicadores adecuados.
Alcanzar el cumplimiento normativo, la implantación de
estándares internacionales y las certificaciones de calidad
relacionadas con el Gobierno TI [7, 20].
Actualmente, los Gobierno TI se encuentran implantados con
éxito en otros sectores (banca, seguros, industria, etc.)
alcanzando una madurez de 2.67 sobre 5 en la escala
propuesta por el IT Governance Institute (ITGI).
También se están incorporando al Gobierno TI universidades
de todo el mundo, y según estudios realizados alcanzan una
madurez de 2.30 sobre 5, lo que significa que las
universidades se encuentran todavía en una situación
incipiente y en proceso de maduración [20].
5. IMPLEMENTACION DEL GOBIERNO TI EN UNA IES
El paso previo a cualquier proceso de implantación del
Gobierno TI en una IES consiste en convencer técnicamente
al Rector, a los Vicerrectores y en sí al órgano colegiado
superior de la conveniencia de adoptar un buen gobierno TI y
conseguir su máximo apoyo para que dicha implantación
alcance los objetivos esperados [7]. Según CRUE [19] para
poner en práctica el Gobierno TI, se necesitan además de las
estructuras de toma de decisiones, el modelo de decisión y
los tipos de decisiones que se relacionan a través de la matriz
de Weill y Ross (Tabla 2), alinear dichas decisiones con la
estrategia y comunicarlo activamente [6, 9].
Aunque comunicar las decisiones es sencillo y adaptar las
estructuras para que tomen las decisiones claves, no es
complejo, lo más difícil es alinear los principios y objetivos
estratégicos con las necesidades de aplicaciones y soluciones
y su correspondiente inversión. Como se puede ver en la
Tabla 3, para alinear los objetivos de negocio con las TI, se
debe seguir un proceso sencillo pero difícil de mantener [9].
Tabla 2. Matriz de Weill y Ross para las universidades españolas
Principios de TI Estrategias de
Infraestructura de TI Arquitectura de TI
Aplicaciones necesita
la univ.
Priorizar inversiones
en TI
Aportan
Informa.
Toman
Decisión
Aportan
Informa.
Toman
Decisión
Aportan
Informa.
Toman
Decisión
Aportan
Informa.
Toman
Decisión
Aportan
Informa.
Toman
Decisión
Consejo de Dirección
(Rector y Vicerrectores) 15 % 68 % 0 % 46 % 11 % 33 % 3 % 42 % 4 % 78 %
CIO y/o Director de TI
(por separado o en grupo)
58 % 29 % 54 % 50 % 41 % 56 % 13 % 19 % 43 % 19 %
Responsables
Funcionales (RRHH, investigación, etc)
12 % 0 % 13 % 0 % 15 % 4 % 33 % 8 % 4 % 0 %
Consejo de Direccipon y
al menos un Responsable Funcional
15 % 0 % 8 % 0 % 4 % 0 % 10 % 4 % 9 % 0 %
CIO/Director TI y al
menos un Responsable
Funcional
0 % 3 % 25 % 4 % 39 % 7 % 40 % 27 % 39 % 4 %
Solo el Área Funcional 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 %
Tabla 3. Alinear las decisiones de gobierno de las TI
No. Alineación de decisiones de gobierno TI 1 Determinar un conjunto de objetivos y crear un equipo 2 Comprender la relación existente entre TI y negocio 3 Analizar y priorizar las desviaciones no deseadas existentes
4 Definir las acciones de mejora de la alineación (gestión de
proyectos)
5 Seleccionar y evaluar los criterios de éxito
6 Mantener la alineación
Este proceso incluye un cambio cultural en las IES,
especialmente latinoamericanas, migrando de un modelo
inmaduro de administración de las TI, a un modelo basado en
gestión de proyectos e indicadores de progreso sobre los
objetivos. Se deben transformar unos pocos principios clave
de las TI, en objetivos estratégicos de menor nivel de
abstracción y éstos en objetivos tácticos. Esta labor
normalmente compete al mayor nivel de autoridad en la
Institución [6].
6. PROCESO PARA IMPLANTAR EL GOBIERNO TI EN
UNA IES
El JISC diseñó un modelo de gobierno para las universidades
británicas. A pesar de todas las bondades de este modelo su
implantación no ha pasado de los primeros proyectos piloto,
y por tanto no se ha extendido por el resto del sistema
universitario. Uno de los motivos que puede explicar esta
situación puede ser que las implantaciones piloto únicamente
contaron con el apoyo de los niveles intermedios que fueron
los promotores de la iniciativa (estrategia bottom-up).
Quedaron excluidos, y no proporcionaron el apoyo necesario,
los rectores y otros miembros del consejo de dirección [17].
Por tanto, la fallida experiencia británica y la opinión de los
expertos e investigadores [9]; [21]; ISACA, sugieren que se
utilice una estrategia top-down a la hora de implantar un
sistema de Gobierno TI en una IES. Esto supone que el paso
61
*Morales J. V.___________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
previo a cualquier proceso de implantación consiste en
convencer al rector y a los vicerrectores de cuan conveniente
es adoptar un buen Gobierno TI y conseguir su máximo
apoyo de cara a la implantación y mantenimiento de dicho
sistema de gobierno [6].
6.1 Proceso de implantación de Gobierno TI en las IES
Varios autores han propuesto procedimientos que pueden
seguir las IES para llevar a cabo la implantación de un
sistema de Gobierno TI. Este procedimiento puede ser el
siguiente [8]:
Formar a las máximas autoridades en los
fundamentos de Gobierno TI, utilizando artículos
relacionados, modelos, etc.
Analizar la situación inicial de la organización o
empresa en relación al Gobierno TI, para lo cual se
puede basarse en modelos de madurez.
Determinar cuál es el nivel de madurez de Gobierno
TI que están dispuestos a alcanzar por parte de la
Institución.
Diseñar un plan de implantación del Gobierno TI
que sirva para cubrir la brecha existente entre la
situación de partida y el nivel de madurez deseado
por la institución.
Desarrollar el plan de implantación del Gobierno TI,
involucrando en dicho proceso, a todos los niveles,
directivos y no directivos.
Efectuar el seguimiento y evaluar el grado de
cumplimiento de las tareas recogidas en el plan de
implantación del Gobierno TI [21].
Este proceso es recursivo, por lo que requiere de un
seguimiento y una actualización continua, en tal virtud, tras un
tiempo prudencial (un par de años), debe volver a comenzar.
7. CONCLUSIONES
El principal problema para la implementación del gobierno de
las TI de forma específica en las IES es que no existe una
metodología clara y definida para el efecto. Previo a la
implementación del Gobierno TI en las Universidades se
requiere establecer políticas que generen confianza entre
beneficiarios y autoridades, y para la implementación de los
Gobiernos TI en estas instituciones se requiere la aplicación
de modelos que sean específicos y basados en metodologías o
estándares internacionales existentes.
No existe un modelo específico para la implementación del
Gobierno TI en Universidades Sudamericanas. Por lo tanto,
cuando los investigadores diseñen y validen un modelo de
Gobierno TI particularizado, deben proceder a desarrollar
todas las herramientas que le proporcione soporte adecuado.
Una de las líneas futuras de investigación, sería comparar los
resultados de explotación de modelo de implementación de
Gobiernos TI como MGTIU en España con el modelo JISC
en Reino Unido y extraer conclusiones de dicho análisis
comparativo para generar un modelo específico pero para las
Universidades a nivel mundial. Las IES en la región de la
UNASUR deben asumir la responsabilidad de implementar
sistemas de Gobierno TI en sus organizaciones, para
posicionarse con ventaja con respecto al resto de
universidades del mundo, y a través de un modelo de
Gobierno TI que sea un referente único y común para todas
las universidades del sector.
REFERENCIAS
[1] Luftman, J. Competing in the Information Age: Strategic Alignment
in Practice. Oxford University Press, 1996.
[2] Henriquez S., Implantación de Gobierno TI – NETWORK-SEC, junio 2011.
[3] Thompson S, Ekman P, Selby D. & Whitaker J., A model to support
IT infrastructure planning and the allocation of IT governance authority. Decision Support Systems on 59 (2014) 108–118,
November 2013.
[4] C. Marulanda, M. López & C. Cuesta, “Modelos de desarrollo para gobierno TI” Scientia et Technica Año XV, No 41, Mayo de 2009.
Universidad Tecnológica de Pereira.
[5] Aguilar. “Estructuras, Procesos, Indicadores para Gestionar el Proceso de la Demanda Estratégica en las TI”, Tesis doctoral, Dep. Lenguajes
y Sistemas Informáticos e Ingeniería del Software, Univ. Politécnica
de Madrid. Madrid, 2013. [6] Fernández A. & Llorens F., Gobierno de las TI para universidades,
Editorial CRUE. Madrid – España, 2008.
[7] Uceda, J., Barro, S. y otros, Evolución de las TIC en el Sistema Universitario Español, CRUE, Madrid, 2010.
[8] Coen, M. y Kelly, U. (2007). Information Management and
Governance in UK Higher Education Institutions - Bringing IT in from the cold. Perspectives: Policy and Practice in Higher Education,
11 (1). pp. 7-11. Disponible:
http://eprints.cdlr.strath.ac.uk/3104/01/CoenKelly_bringing_IT_in_from_the_cold.pdf.
[9] Weill, P. y Ross, J. W. IT, Governance: How Top Performers Manage
IT Decision Rights for Superior Results. Harvard Business School Press, 2004.
[10] Alonso, I. A.; Verdun, J.C.; Caro, E.T., "The IT implicated within the
enterprise architecture model: Analysis of architecture models and focus IT architecture domain," Service-Oriented Computing and
Applications (SOCA), 2010 IEEE International Conference on , vol.,
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[11] ISO 38500 (2008, 2015). Corporate Governance of Information
Technology. Disponible: http://www.iso.org [12] Tcp a member of UST Global Group. Gobierno IT.
[13] A. Pastor, Marco Gobierno TI sector público, España: Disponible On
line, 2012. [14] C. Fernandez & M Piattini, Modelo para el gobierno de las TIC
basado en las normas ISO. España: AENOR ediciones, 2012.
[15] M. Ballester, Gobierno de las TIC ISOIEC 38500, Journal Online. Isaca journal volume 1, 2010.
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Disponible: www.itgi.org [17] A Framework for Information Systems Management and Governance.
Joint Information Systems Committee (JISC). (2007). Disponible:
www.ismg.ac.uk/Portals/18/Governance%20Framework.pd [18] M. Ballester, Gobierno de las TIC ISOIEC 38500, Journal Online.
Isaca journal volume 1, 2010.
[19] CRUE (2011). Gobierno de las TI para Universidades. CRUE.
Disponible: http://www.crue.org/Publicaciones/GobiernoTI.html
[20] Yanosky, R. y Borreson Caruso, J. (2008). Process and Politics: IT
Governance in Higher Education. ECAR Key Findings. EDUCASE. Disponible en http://net.educause.edu/ir/library/pdf/ekf/EKF0805.pdf
[21] Van Grembergen, W., De Haes, S, Implementing Information
Technology Governance. Models, Practices and Cases. IGI Publishing, 2008.
62
Análisis de la Transformación de Modelo CIM a PIM en el Marco de Desarrollo de la Arquitectura Dirigida por Modelos (MDA) ___________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
1. INTRODUCCION
En las últimas décadas se ha trabajado en el área de
desarrollo de sistemas para encontrar técnicas que permitan
incrementar la productividad y el control de calidad en
cualquier proceso de elaboración de software. Dentro de esta
área, la Ingeniería de software es una de las temáticas que
más desarrollo demanda en los momentos actuales. Las
investigaciones relacionadas se han dirigido hacia el
desarrollo de métodos y algoritmos apropiados que conlleven
a la creación y explotación de herramientas que asistan por
medios computacionales al desarrollo de otros sistemas.
Entre las alternativas que han surgido figura el marco de
trabajo MDA, que constituye un intento de proporcionar una
solución al problema de las plataformas cambiantes y a la
portabilidad de los sistemas de información. MDA como
arquitectura está destinada a aumentar la productividad en el
desarrollo de software reduciendo el coste del mismo en
términos de tiempo y de reutilización de componentes
desarrollados para aplicaciones similares, dentro de las
diferentes etapas del ciclo de desarrollo de software.
La base fundamental del marco de trabajo MDA, es la
construcción y generación de mecanismos de especificación
de modelos y sus transformaciones, hasta la obtención de un
producto de software (modelo) dirigido a elevar la calidad del
proceso de desarrollo de software, lo cual, constituye un
problema de investigación que se pretende solucionar hoy
día. Dentro de MDA, la transformación juega un papel
Análisis de la Transformación de Modelo CIM a PIM en el Marco
de Desarrollo de la Arquitectura Dirigida por Modelos (MDA)
Martínez S.*; Lamoth L.*; Moreno R**; Jacho N. ***
* Universidad de Holguín, Departamento de Informática .Holguín, Cuba
Email: {ssolerm; llamothb}@fcainf.uho.edu.cu
** Universidad Central “Martha Abreu” de Las Villas, Cuba,
e-mail: [email protected]
*** Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Departamento de Ciencias Computacionales, Sangolqui, Ecuador
e-mail: [email protected]
Resumen: La Ingeniería de Software es una disciplina vanguardista que más progreso exige en el proceso de
desarrollo de software, en particular, los métodos, algoritmos y técnicas novedosas que enriquezcan y nutran el
desarrollo de herramientas computacionales; herramientas que asistan al desarrollo de otros sistemas y apoyen el
proceso de desarrollo de sistemas. Entre los marcos de desarrollo propuesto destaca la arquitectura dirigida por
modelo (MDA) que pretende dar solución al problema de las plataformas cambiantes en las empresas que asumen
el uso de sistemas informáticos, la interoperabilidad y la portabilidad de los mismos. Este trabajo aborda las etapas
dentro del marco de desarrollo de software, la arquitectura dirigida por modelos, el uso de estándares y realiza un
análisis de las tendencias y aportes principales teórico prácticos realizados en este sentido haciendo énfasis en la
transformación del modelo independiente de la computación (CIM) al modelo independiente de la
plataforma(PIM).
Palabras clave: MDA, CIM, PIM, Modelo de Plataforma Específico PSM, Transformación, Notación y Modelos
de Procesos de Negocio BPMN
Abstract: Software engineering is one of the vanguards disciplines that more progress required on software
development process. Methods, algorithms and new techniques to enrich the development of computational tools to
assist the development of other systems. Among the frameworks developing highlighting Model Driven
Architecture (MDA).This framework pretending to solve changing platforms problems inside of enterprises, the
interoperability and portability. That’s paper show the steps of MDA, the standard used and an analysis about new
contributions and tendency in that way making emphasis in the transformation of Computationally-Independent
Model CIM to Platform-Independent Models PIM.
Keywords: MDA, CIM, PIM, Platform-Specific Model PSM, Business Process Model and Notation BPMN,
Transformation.
63
Martínez S.*; Lamoth L.*; Moreno R**; Jacho N. *** _____________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
fundamental, al punto de socializarse como “el corazón y el
alma de MDA” o “el eslabón perdido de MDA”. Para
cristalizar los propósitos de una transformación, se deben
utilizar lenguajes que permitan expresar qué quiere
transformar y cómo quiere transformar.
La lógica declarativa para expresar el qué, se ha venido
estandarizando a través de la maduración y acogida del
lenguaje de restricciones de objetos (OCL) por sus siglas en
inglés, pero la lógica imperativa para expresar el cómo,
todavía no se encuentra suficientemente estandarizada [1].
En tal sentido este trabajo tiene como objetivo, analizar los
aportes realizados en el ambiente de desarrollo de
Arquitectura Dirigida por Modelos MDA, que permita
establecer las bases para formalizar reglas que faciliten la
transformación del Modelo Independiente de la Computación
CIM al Modelo Independiente de la Plataforma PIM, a partir
de la utilización de métodos y técnicas de investigación
científica como el análisis y síntesis, el histórico lógico, la
modelación, la observación científica y la revisión de
documentos.
2. EVOLUCIÓN DE LA ARQUITECTURA DIRIGIDA
POR MODELOS
En [2] se anuncia el surgimiento de la arquitectura dirigida
por modelos MDA como respuesta a las necesidades
emergentes en el proceso de desarrollo de software, haciendo
alusión a los problemas de integración e interoperabilidad
entre los sistemas. Trata de unificar lo construido con lo que
se está construyendo. Esgrime una respuesta ante el paso
acelerado de la tecnología, que requiere de la existencia de
una arquitectura que haga posible la interoperabilidad de la
infraestructura con que se cuenta.
De este modo, se anuncia MDA como un enfoque de
desarrollo de sistemas que proporciona un medio a través de
los modelos para dirigir el proceso de entendimiento, diseño,
construcción, desarrollo, operación, mantenimiento y
modificación a la altura del año 2002.
En [3] se especifican los modelos esenciales que se conciben
en MDA para la obtención de un sistema informático. Se
estructura en el modelo independiente de la plataforma (PIM)
y en modelos de plataformas específicas (PSMs). Donde la
funcionalidad del PIM es realizada y especificada de algún
modo en una plataforma específica PSM, que se deriva a
partir de alguna transformación.
Propone un proceso de desarrollo basado en la realización y
transformación de modelos, centrando su atención en los
modelos como elemento básico, situando a estos como
estrategia clave para entender y especificar una solución de
software.
El mencionado artículo evidencia su aporte en la propuesta
de la concepción y transformación de modelos, tomándolos
como punto de partida en el desarrollo de software, lo cual
constituye uno de los aspectos más importantes [3, 4]. Sin
embargo en MDA Guide Versión 1.0.1 [5] se enuncia entre
los conceptos básicos de MDA, el modelo independiente de
la computación (CIM) como modelo que forma parte de los
elementos a considerar en esta propuesta. El CIM no muestra
detalles de la estructura del sistema, suele ser llamado
modelo del dominio y el vocabulario empleado es muy
cercano a los expertos del dominio en cuestión. Esta
propuesta es actualizada por los propios autores de MDA en
2005 donde refuerza los conceptos fundamentales
especificados para guiar el desarrollo basado en MDA.
Con este enfoque se favorece el desarrollo de aplicaciones
empresariales completamente funcionales a partir de modelos
con UML y otros estándares que garanticen la independencia
de las diversas plataformas, abiertas o propietarias, como
servicios web, .Net, Corba, J2EE, u otras.
2.1. Los modelos en MDA y su contribución en el ciclo
de vida de un producto informático
MDA propone la definición y uso de modelos en el proceso
de desarrollo de software a diferente nivel de abstracción, así
como la posibilidad de la generación automática de código a
partir de los modelos definidos y de las reglas de
transformación entre dichos modelos. [6, 30] Los modelos a
los que se hace referencia son:
• CIM: Es el modelo independiente de la computación, surge
en la fase inicial del proceso de desarrollo comprendiendo la
modelación del negocio en su totalidad.
• PIM: Representa los modelos que describen una solución de
software que no contiene detalles de la plataforma concreta
donde será implementada la solución, de ahí su nombre de
modelos independientes de la plataforma. Estos modelos
surgen como resultado del análisis y diseño.
• PSM: Los modelos específicos de la plataforma. Surgen del
PIM y se crean entre las fases del diseño y la codificación de
la solución.
Luego, él código se genera después de la codificación y las
pruebas.
El proceso de desarrollo de software basado en MDA
presupone un cambio en la secuencia de actividades para la
obtención de un producto informático. A pesar de que el ciclo
de vida del producto informático mantiene sus etapas desde
la captura de requisitos hasta el despliegue de la aplicación;
el uso de este marco de trabajo deviene la adaptación del
ciclo de desarrollo de software. Una vez que se avanza en las
etapas dentro del ciclo de desarrollo de software se va
centrando el trabajo en la construcción de los modelos, su
refinamiento y la posterior transformación.
En el proceso de desarrollo tradicional, se genera una gran
cantidad de documentos y diagramas para especificar
requisitos, clases, colaboraciones, etc. La mayoría de este
material pierde su valor en cuanto comienza la fase de
codificación, y gradualmente se va perdiendo la relación
64
Análisis de la Transformación de Modelo CIM a PIM en el Marco de Desarrollo de la Arquitectura Dirigida por Modelos (MDA) ___________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
entre los diagramas y su correspondencia con el producto
final. Sin embargo con el uso de MDA, los cambios y la
documentación derivada se pueden mantener sin costes
adicionales. Esto se debe a que; una nueva entrada en los
elementos a considerar se asume en el modelo CIM o PIM y
con las transformaciones exactas se obtiene el resto de los
elementos. Estos modelos desempeñan una labor clave con la
gran diferencia de que estos no se abandonan tras la
codificación.
De acuerdo con lo expresado en [7, 29] todos estos modelos
se apoyan en los diversos estándares y tecnologías Unified
Modeling Language (UML), Meta Object Facility (MOF),
XML Metadata Interchange (XMI), Common Warehouse.
Metamodel (CWM) y Object Constraint Language(OCL), a
través de su uso es posible enfrentar la rápida evolución
tecnológica y la diversificación de plataformas y tecnologías,
problemas por los cuales surge el marco de desarrollo de
software basado en MDA.
2.2. Transformación de Modelos
La transformación es el paso que: partiendo desde un primer
modelo, interpretado por determinado lenguaje pueda
obtenerse un destino. En [8] se ofrece una taxonomía a través
de un modelo de aspectos que establece una comparación
entre los diferentes enfoques realizados alrededor de la
transformación de modelos teniendo en cuenta los criterios y
los aportes de diversos autores.
La transformación de modelos se considera el proceso central
de MDA. Para especificar estas transformaciones se apoya el
uso del estándar Queries/Views/ Transformations (QVT).
Este estándar se expresa en MOF y queda establecido un
lenguaje para la transformación de modelos, la consulta y la
generación de vistas. QVT brinda la posibilidad de explorar
los modelos desde disímiles puntos de vistas. Considera en el
mismo la transformación, el mapeo y el marcado, elementos
de interés dentro de este proceso.
En [7] se ilustra que los modelos tanto de origen como el
destino, tienen una transformación, se especifican conforme a
los metamodelos correspondientes, definiendo las
transformaciones y sus ejecuciones se reflejan en la capa de
la instancia de estos metamodelos.
Por otra parte, si se tiene en cuenta la definición de mapeo,
asumida por los autores es posible realizar mezclas de
diferentes estrategias en su ejecución.
Los autores asumen la definición para el marcado expresados
en [7, 9] como la identificación de cada uno de los elementos
del modelo origen, que permiten seleccionar qué reglas y qué
tipo de mapeo corresponden para la transformación. Las
marcas para un modelo suelen provenir de diferentes fuentes.
3. ANÁLISIS DEL ESTADO ACTUAL DE MDA
Con los referentes y definiciones que sustentan MDA, resulta
muy compleja la deserción y delimitación de las fronteras
entre un modelo y otro. Esto está provocando la falta de
homogenización en la definición de un modelo y los
parámetros que este contendrá según se observa en [10].
Si se analizan los elementos existentes alrededor de la
definición de cada uno de los modelos que forman MDA y
sus transformaciones se aprecia que para el caso de las
transformaciones del PIM a PSM y de PSM a código, existen
varias herramientas que la realizan. Sin embargo la
definición del CIM y su transformación al PIM es la menos
explorada.
Esta situación se debe precisamente a la naturaleza de los
modelos involucrados en las primeras etapas del proceso de
desarrollo (CIM y PIM) cuyos detalles se describen a en la
Tabla 1.
Si se tienen en cuenta los elementos descritos hasta el
momento se puede concluir que existen varios referentes
teóricos que abordan el enfoque MDA donde prima la
variedad en las interpretaciones de cada uno de los modelos
en los que subyace este marco de desarrollo. Por tales
razones y en unión al criterio de diversos autores se afirma la
definición y delimitación de cada uno de los modelos de
MDA. Todo esto con el objetivo de obtener representaciones
homogéneas en la definición de la información a plasmar en
CIM y/o PIM, como también las la transformación entre estos
dos modelos.
3.1. Modelo Independiente de la Computación
En MDA el modelo de origen es el CIM, que permite
modelar los requisitos del sistema. Por tanto es de especial
utilidad cuando se desea crear un vocabulario común para el
desarrollo de software que se empleará en las etapas
sucesivas en su desarrollo. Describe el ambiente en que se
desarrollará el sistema.
Utiliza un lenguaje para modelar procesos de negocios que
no tiene que ser precisamente UML, aunque éste puede ser
derivado perfectamente utilizando MOF. El CIM se
manifiesta a través de los procesos de negocio y deja
establecidas las relaciones entre trabajadores humanos o no,
sus interacciones, responsabilidades y roles.
De este modo se facilita la comprensión de la lógica del
negocio evitando todo tipo de conocimiento especializado o
de sistema. Una muestra de ello es lo especificado en [11]
que representa los requisitos mediante diagramas de caso uso,
de actividad y de secuencia. Del mismo modo en que se
representa la distribución de los procesos y la información a
tratar. El CIM constituye una conexión entre los expertos del
negocio que aportan los requisitos del sistema, en la misma
medida que relaciona a los diseñadores y desarrolladores
responsables de la implementación [12].
Tomando como base esta afirmación y los sustentos teóricos
consultados se puede considerar entre las formas de
representar el Modelo Independiente de la Computación es el
Modelo y Notación de Procesos de Negocio (BPMN), este es
65
Martínez S.*; Lamoth L.*; Moreno R**; Jacho N. *** _____________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
un estándar de Object Management Group (OMG) cuyo
objetivo es proveer de una notación gráfica estandarizada en
formato de flujo de trabajo, fácil de entender y de comunicar
entre usuarios de todo nivel, eliminando así la brecha de
comunicación que permite el modelado de procesos de
negocio [25].
BPMN es ampliamente adoptada por las empresas para los
propósitos de modelado de los procesos básicos, análisis
detallado de performance, especificación de requerimientos y
diseño ejecutable. La BPMN 2.0 añade nuevos elementos de
diseño orientado a la ejecución, ofreciendo una definición
teórica de lo que hace un modelo ejecutable.
Tabla 1. Elementos para la especificación de CIM y PIM y los métodos de transformación
Año Fuen
te
Representación
Transformación de CIM a PIM
CIM PIM
2004 [2]
Mediante ViewCIM derivados del proceso de
desarrollo de software orientado a aspectos.
Sustenta el modelado de la lógica del negocio con múltiples vistas
Mediante ViewPIM y se derivan de
la representación del CIM empleada. Son trasformados en
diagramas de clases que colaboran
para realizar dichos casos de uso
No dispone de un método de transformación de
CIM a PIM
2007 [3] Modelo del Negocio del Nivel CIM (Modelo
de Valor)
Modelado del Sistema de
Información del nivel PIM (Modelo
de Casos de Uso)
Mediante guías propuestas por SOD-M, mapeo
de requisitos a nivel CIM en elementos de
modelos de nivel PIM
2007 [4] Se representa por los Requerimientos del
Usuario, enfocados hacia el desarrollo
multidimensional de almacenes de datos.
Es una derivación del CIM denominado Modelo Conceptual
multidimensional con
independencia de plataformas y que contiene los elementos para generar
el almacén de datos.
Mediante la descripción de un perfil de UML para construir un PIM para modelado
multidimensional en almacenes de datos. Se
consideran las fuentes de datos operacionales para completar el PIM inicial según las formas
normales multidimensionales
2007 [5]
Secure Business Process (SBP) descrito con
BPMN o UML que constituyen la
materialización de un conjunto de requisitos de seguridad proporcionados por los expertos del
negocio.
Conjunto de Clases de Análisis
El PIM se especifica con el Diagrama de Actividades de UML 2.0-AD extendido con
BPSec. Ambos elementos constituyen aportes
de los autores para representar los aspectos relacionados con la seguridad en los procesos
de negocio. La transformación es realizada
con QVT
2008 [6] Especificación de Secure Business Process
(SBP) Clases de Análisis y los Casos de
Uso Se describe mediante QVT, reglas de refinamiento y listas de comprobación
2008 [7] Modelo de transacciones de negocio (BTM)
que refleja las interacciones entre
organizaciones y se modela con BPMN
Diagrama de Colaboraciones UML2
Utiliza el lenguaje transformación atlas ATL y
se describe un híbrido para transformar el modelo de transacciones de negocio (BTM)
elaborado con BPMN y obtener un modelo de
Colaboraciones UML2
2009 [8] El CIM tiene correspondencia con los niveles
de refinamiento de Requisitos y Análisis
El PIM tiene correspondencia con el
nivel de Refinamiento de Diseño
Se realiza mediante un conjunto de actividades especificadas por medio del planificador de
transformaciones.
[9] BPMN para representar un CIM Se obtiene a partir de las
transformaciones A partir de uso de UML y transformaciones a
partir de QVT
* [10]
Se representa a partir de los artefactos tomados
del modelo WRSPM asociado a las siglas en
inglés de mundo, requisito, especificación, plataforma y máquina, sobre la base de la
ingeniería de requisitos para definir los
elementos que conforman el CIM
Modelo de Requerimientos.
La transformación del
CIM al PIM se realiza mediante los elementos
que componen WRSPM.
* [11] Combinación del Modelo del Negocio y el
Modelo de Requerimientos No No
* [12]
Modelo de Requisitos. Esta representación se
obtiene empleando método de diseño web A-OOH relativo a Hipermedia orientada a objetos
adaptados, proveniente de los principios de la
ingeniería web dirigida por modelos.
Modelos conceptuales de dominio y
navegación. Esta representación se obtiene mediante el mismo método
que se especificó el CIM.
Modeladas utilizando QVT. La trazabilidad de requisitos entre modelos conceptuales se define
(mediante
la aplicación de modelos weaving que permite identificar las reglas aplicadas en las
transformaciones realizadas)
2014 [27] Compuesto por un modelo de componentes
formal expresado mediante una ontología y un
modelo de componentes UML.
Se representa mediante una
ontología incluyendo en el metamodelo los conceptos de
componentes, servicios y
funcionalidades
Considera la trasformación automática
implementando un plugin para el framework.
Posibilita la obtención de un modelo de componentes UML en XMI
2011 [28]
Se pronuncia sobre la reutilización de
ontologías como base para el modelado dada
que estas expresan el conocimiento sobre un dominio específico generado por sus propios
expertos sobre la base de la lógica descriptiva
que se considera.
No
A través de mecanismos de refinamiento y validación, la ontología empleada que
constituye una analogía con los mecanismos de
representación en varios niveles propios de
MDA.
_______________________ 1* El año de publicación del artículo no aparece en la fuente consultada.
66
Análisis de la Transformación de Modelo CIM a PIM en el Marco de Desarrollo de la Arquitectura Dirigida por Modelos (MDA)
_______________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica-Septiembre 2015, Vol. 36, No. 1
3.2. Modelo Independiente de la Plataforma
El PIM es un modelo del sistema de alto nivel que representa
la estructura, funcionalidad y restricciones del sistema sin
aludir una plataforma determinada. Este modelo servirá de
base para todo el proceso de desarrollo y es el único que debe
ser creado íntegramente por el desarrollador. Suele ser el
punto de entrada de todas las herramientas para MDA.
Al no incluir detalles específicos de una tecnología
determinada, este modelo es útil porque es fácilmente
comprensible por los usuarios del sistema, y por tanto les
resultará más sencillo validar la corrección del sistema.
Además, facilita la creación de diferentes implementaciones
del sistema en diferentes plataformas, dejando intacta su
estructura y su funcionalidad básica.
Si se ha creado un modelo abstracto, donde se describe el
comportamiento del sistema, aspectos funcionales y no
funcionales independientes del entorno de computación y
tecnologías de implementación, que pueden ser reutilizados
en múltiples plataformas. Si se garantiza además que los
requisitos del negocio se especifican utilizando diagramas
UML y el sistema es modelado desde el punto de vista que
mejor soporte los requisitos del usuario final, independiente
de la implementación de la plataforma/tecnología [13], se han
creado las condiciones que garanticen también la
transformación de PIM a PSM.
3.3. Transformaciones
Dadas las condiciones a cumplir, para la formalización de
reglas de transformación entre modelos y las condiciones
para su ejecución, para realizar la transformación del CIM a
PIM se afirma el uso del estándar QVT-Relations en el
contexto de la arquitectura de metamodelos MOF[26] [29].
El metamodelo permite el intercambio, interoperabilidad y
ejecución de modelos.
QVT-Relations es el lenguaje declarativo, es una
especificación de las relaciones entre modelos MOF. Además
es descriptivo porque define el qué y se basa en un conjunto
de reglas que deben cumplirse simultáneamente para
determinar si existe consistencia entre dos conjuntos de
modelos.
También BPMN 2.0 incorpora características nuevas para la
construcción de modelos ejecutables, que permite la
construcción de diagramas, que puedan ser ejecutados sobre
un motor de procesos. Incorpora un metamodelo basado en
MOF que define la sintaxis y semántica abstracta de los
constructores de modelado. El metamodelo refina y formaliza
la semántica de ejecución de BPMN.
Un elemento que permite aseverar tal planteamiento lo
constituye el hecho de que, tanto los metamodelos de BPMN
2.0 como el de UML 2 se representan como instancias del
metamodelo MOF. Esto facilita la formalización de reglas de
transformación entre el diagrama de procesos definidos con
la notación de BPMN 2.0 y un diagrama de clases UML, lo
cual define la estructura del PIM, en este sentido van
encaminados los trabajos futuros.
4. CONCLUSIONES
A partir de los aspectos analizados se ha arribado a las
siguientes conclusiones:
En el marco de desarrollo de software basado en MDA
existen varios referentes teóricos que lo describen, pero en
algunos de estos excluyen al CIM del análisis, en la
propuesta de desarrollo de MDA. Cada uno de ellos, tienen
formas diferentes de interpretar cada modelo, en su mayoría
no describen el proceso de la transformación del CIM al PIM.
Con el análisis realizado se pudo comprobar que la definición
teórica de los modelos MDA es clara, sin embargo la
información de la delimitación del proceso de transformación
de los modelos de CIM a PIM, y de PIM a PSM es escasa y
heterogénea.
La definición del modelo CIM con BPMN2.0 constituye una
propuesta a tomar en consideración debido a las característica
de esta notación, además de ser fácil de representar es una
instancia de MOF, uno de los elementos que conforman en
núcleo de MDA, lo cual favorece su aceptación en este
sentido.
El modelo al ser parte central de MDA y al complementarse
con ontologías, contribuye a mantener la uniformidad de
cada modelo CIM, PIM, PSM, que aunque sean realizados
por distintas personas, se disminuya la subjetividad de los
programadores y, al mantener la estandarización permite
validar los modelos para ser reutilizados y reducir el tiempo
de desarrollo de software.
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68
Methodology for Data Loss Prevention Technology Evaluation for Protecting Sensitive Information _________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
1. INTRODUCTION
To begin, data leaks is a risk that has been increasing during
the last years [1] and the industry should take into account that
this represents the loss of one of the most important assets for
a company [2]. The information is an asset that the employees
may have generated, have access or could be in charge of its
storage, so the question is if the companies should trust that
the employees will follow the data security policy or should
the companies use an enforcement tool to help to make sure
that the users comply with the security policies. The truth in
the real world is that the employees make mistakes and there
is difficult to assure that a company will have 100% honest
employees. Some examples of data loss are WikiLeaks
founded by Julian Assange which exposed top secret
information from governments and military organizations
causing a big impact for political regimes and private
companies [3]. Also, the case of Edward Snowden, who has
been responsible for the most important leak in the NSA's
history [4]. Consequently, the authors considered that Data
Leaks is a visible problem and investigating Data Loss
Prevention (DLP) Technology will help the industry to
increase the compliance with information security policies.
In addition, the authors looked for previous studies about open
source and commercial DLP technological solutions, and it
was found that there is a few academic work in DLP evaluation
[5, 6, 7, 8], so it will be a really useful investigation since it is
going to present the state of the art of DLP technology
evaluation to the academia. It is important to mention that the
current academic studies about DLP focus in the latest
techniques to perform data loss prevention and it is not related
to DLP technology evaluation, so the main contribution of this
paper is to present an academic piece of work to propose a
methodology of how to evaluate DLP technology based on the
criteria of sensitive information related to the new productive
matrix of the Republic of Ecuador and the Ecuadorian Law,
common and evasion data file extensions, DLP characteristics
like performance, capabilities and user experience, policy
violation related to sensitive data according to the Ecuadorian
Law. It was found work related to DLP evaluation technology,
but it did not follow a scientific methodology nor presented
details of the evaluation, so it had a high probability of a bias
investigation. The authors recognized this flaw in the state of
Methodology for Data Loss Prevention Technology Evaluation for
Protecting Sensitive Information
López G.*; Richardson N.**; Carvajal J.*
*Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Quito, Ecuador
e-mail: {gabriel.lopez, jorge.carvajal}@epn.edu.ec
** Sheffield Hallam University, Faculty of Arts, Computing, Engineering and Sciences , Sheffield, UK
e-mail: [email protected]
Resumen: El presente trabajo de investigación propone una metodología para la evaluación de un sistema que
previene la fuga de información sensible para una organización. La metodología posee un ámbito para abarcar tanto
software libre como comercial en instituciones públicas o privadas. La propuesta de metodología está basada en buenas
prácticas de la ISO 27001, investigaciones relacionadas, y características de tecnología líder en prevención de fuga de
información. El propósito principal de artículo académico es cubrir el faltante de una investigación que proponga una
evaluación integral de la tecnología de DLP utilizando el método científico, y además relacionarlo con las leyes
ecuatorianas referentes a la privacidad y la nueva matriz productiva del buen vivir de la República del Ecuador.
Palabras clave: Prevención de fuga de información, seguridad de TI, ISO 27001, DLP, información sensible.
Abstract: This investigation proposes a methodology for the evaluation of Data Loss Prevention Systems in order to
secure sensitive information for the organizations. The methodology will be able to cover open source and commercial
software in public or private institutions. The methodology proposal is based on the recommendations of the ISO
27001, related investigations, and characteristics of leading technology in data loss prevention (DLP). The main
contribution of the academic paper is to cover the flaw of the state of the art in DLP technology evaluation, since no
other investigation related specifically to this topic has used the scientific method. Also, the criteria used to develop
the proposed methodology in this paper is based on the Ecuadorian laws related to information privacy and the new
productive matrix of the Republic of Ecuador.
Keywords: Data loss prevention, IT security, ISO 27001, DLP, sensitive information.
69
López G.*; Richardson N.**; Carvajal J.* _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
the art of DLP technology evaluation and realized the necessity
of an academic work in this area.
The academic investigation is divided in the following
sections: first presents the literature review of DLP
technology, then it is developed the methodology proposed for
DLP technology evaluation, and finally the conclusion and
future work.
2. LITERATURE REVIEW
2.1 DLP Definition
DLP is the current technological solution to protect an
organization from data leaks. DLP technology enforces the
criteria of how the information will flow in and out of the
company's electronic network including audit trials,
notifications, and response actions [8]. DLP which was first
presented to the market in 2006, is a solution that is able to
inspect the content of the electronic data of the organization
specializing in looking for sensitive or valuable information,
which is moving without permission through the company.
The DLP software after capturing the data uses file cracking
technology for content analysis, which is used to read and
understand the information that is inside the file [8]. When
sensitive information is identified, DLP triggers alerts and
actions in order to prevent this issue. The critical information
should have been previously analyzed and identified by the
company in a risk analysis, where it were applied controls to
the risks with unacceptable level [2]. The unacceptable risks
related to data loss will be reduced to an acceptable level by
the DLP deployment. In addition, DLP technology supports
the protection of sensitive data not only from intruders, it also
protects from internal personnel, who may be braking a
process. For instance, if an employee stores sensitive
information in his computer and it is not being encrypted, a
DLP will be able to recognize this non conformity.
Even though, the companies have awareness programs to
socialize the security policy, guidelines, and procedures, the
user’s actions cannot be controlled. It is a fact that user’s
actions are the major cause of malware infection in companies
[9]. This is why it is proposed the investigation of DLP
technologies in order to understand its support to enforce the
security rules of the company. DLP does not only detects or
identifies problems, it prevents outbreaks in order to decrease
the data loss of the company.
2.2 Underlying Mechanisms of DLP
After the DLP has access to the content of the information, it
generally uses regular expressions, file fingerprinting and
dictionaries, or a mix employing a context understanding to
detect policy violations related to sensitive information [9];
[8].
Regular expressions define patterns of possible inputs strings
[10], which will be related to sensitive information. For
example if it is needed to look for the word 'secret' or 'Secret',
the regular expression will be '[S/s]ecret'. This will identify
files or traffic with the word secret in its content/metadata or
payload respectively. Regular expressions are powerful, but
they could get really complex as well. IDS technology, such as
SNORT [11] uses regular expressions for detection too [12].
Even though regular expressions are a helpful mechanism to
detect critical information, they are only useful when the
sensitive information target is structured data, i.e. it has a
defined format, like a national insurance number, passport
number, or credit card numbers, but when the sensitive
information does not have a regular pattern or it is
unstructured, the only option is to fingerprint the data since it
is an undefined format [8].
The fingerprint is a secure hash that is saved in the database of
the DLP system. The hash will be compared with the files hash
in order to verify the possible existence of classified data. The
DLP combines its mechanism of detection with the context of
data location in order to check if the data is in a place that
should not be. For instance, if personal data of students is in
the secure data base system of the university, it will be not an
incident, but if the same data is found in the secretary's
computer of the faculty, it should raise a flag and alert about
the incident. The fingerprinting technology has the option to
perform an exact document matching or a partial document
matching [8]. The DLP policies can specified the area where it
is going to be applied, i.e. staff network or shared folders.
Also, the DLP solutions used dictionaries to detect sensitive
data. Dictionaries are lists of key terms predefined or user
defined, which are related to a sensitive category, such as
personal data, strategic documentation, confidentiality terms,
etc. [13]. In some cases the DLP technology is able to read
these terms in real time from a database giving a more accurate
source of information [14].
2.3 Types of DLP
DLP technology focuses in three main areas: data in motion,
data at rest, and data at end points [9, 15].
To begin, data in motion monitors data loss, which may be
going through the network channel. This information may be
leaked using protocols, such as FTP, P2P, HTTP, HTTPS,
SMTP, SSH, etc. This type of DLP can have two types of
architectures. One will be on a SPAN connection, which is a
sniffer with the interface in promiscuous mode, so it can
receive all the traffic from the network. The other architecture
is the DLP in inline mode, which means that all the traffic will
be physically passing through the DLP system. The main
difference is that the SPAN mode can only detect, but not
block data loss. The inline mode since it is in de middle of the
traffic, it will be able to stop data leaks (Websense 2014). See
Fig. 1 for a diagram related to SPAN mode, and Fig. 2 for
inline mode.
Common data at rest is information at databases or data at
content management, such as DSPACE [16] or ALFRESCO
[17], which is available for staff and clients. DLP data at rest
will look for sensitive information that is stored in this
repositories or network folders, in order to prevent the access
70
Methodology for Data Loss Prevention Technology Evaluation for Protecting Sensitive Information _________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
to sensitive information by unauthorized users [9]. For
instance, DLP data at rest is very useful when auditing or
DLP ServerSPAN MODE
Windows Client Linux Client
Internet
Figure 1. SPAN mode
DLP ServerINLINE MODE
Windows Client Linux Client
Internet
Figure 2: INLINE mode
checking for classified information in the DMZ of the network,
where servers like public DNS, Email or Web are hosted.
Sensitive information should not be stored in this type of
services since they do not guaranteed the security of the
information, as in the internal servers like a database server,
which normally has the protection of firewalls, IDS, and
antivirus.
Finally, data at end points is the area, which corresponds to the
user's computer or portable devices like laptops or tablets
(Bunker and Fraser-King, 2009). The end point is a critical
location since here may be the place where information is
being generated, visualized, transferred or edited. In general,
DLP for end points needs to install an agent in the clients in
order to make the user's computer comply with the policies.
For instance, some policies will prevent data loss going
through channels, such as removable devices, word processing
applications, email, printing, or CD burning. Sometimes users
need to keep sensitive data in their devices. For instance, a
manager needs to work and review a marketing strategy. Since
this employee needs to keep sensitive data in his computer, it
is recommended to protect this information against robbery or
lost. For this situation is helpful the DLP at end points since
some technological solutions offer to encrypt the hard disc and
the data transferred to removable devices.
2.4 Previous investigation of DLP Technologies
2.4.1 Evaluation of blocking data leaks at the endpoint
The investigation done by [6] tested tree DLP vendors Identity
finder, Websense, and TrendMicro focusing in the evaluation
of blocking data leaks at the endpoint. They justified the
investigation by presenting the problem, that it is not possible
to trust 100% to an employee who has access to sensitive data.
This fact is also supported by [9]. The investigators did not
justify why those vendors were invited to participate in the
evaluation, but the author checked that the majority of them
were present in the Magic Quadrant of Content Monitoring
and Filtering and Data Loss Prevention according to [18]. The
investigators agreed that the purpose of a DLP should be to
allow only the activities that the user is supposed to perform.
The investigators performed 588 tests to check if endpoint
DLP was able to stop sensitive data from leaving its safe
environment. In addition, the investigator’s methodology was
to test the data discovery differences, fingerprinting
functionality, actions against a violation, installation and
configuration experience, performance, and agent systems
resources used.
The Data discovery evaluation focused in checking for
network shared folders, and endpoints data. This approach
covers the scope for common users, and check a high risk
location, which is a shared network folder, but it was not
considered the discovery of databases, which may be helpful
in order to check if they are holding the information that they
are supposed to store. For instance, if information like credit
card numbers that according to the internal security policy of
a company should be encrypted or protected, but in practice it
may not. For this test the investigators discovered that Data
Endpoint and LeakProof were able to discover network shared
folders and endpoints data with the help of an agent.
Fingerprinting was tested and it worked for Data Endpoint, and
LeakProof, but it was evaluated only performing minor
changes in the document. It could have been useful to test the
effectiveness of the functionality of the DLP by changing a
large portion of the document, but maintaining the sensitive
data.
71
López G.*; Richardson N.**; Carvajal J.* _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
The actions against a violation was recognized by the
investigators as the hardest decision since it may represent an
obtrusiveness in the regular job perform by employees. It was
highlighted that Data Endpoint and LeakProof could block,
request the user’s justification, notify the administrator, and
log the incident. Data Endpoint had the singular capability of
running custom scripts to respond to a violation. It is also make
it clear that the agent can be completely silent to the user, when
blocking an action, but it was not discussed if it is positive or
negative to educate the user and prevent further leak of
sensitive data.
It was identified a problem with the Data Endpoint’s
application centric policy configuration since it can only detect
incidents for the defined applications in the policy, if there is
a new application in the client, this may bypass the filters.
Thus, it is an issue if the user has the privileges to install new
software.
The investigators also describe the installation experience. For
Websense they presented that for the server installation, it was
required a manual installation of Oracle and MS SQL, and that
it had a built in utility for agent software generation. In the
configuration stage, it was tested the centralized management
and the easy to use interface.
The investigators concluded that Websense does not have a
total centralized management console, it was required support
for its configuration, which was provided, and they highlighted
the multiples templates given by industry and locality.
The author considered important to mention, that in the
configuration test it is only specified for Data Endpoint its
predefined templates and their default configuration, but for
TrendMicro it is not specified if the configuration was left as
default, and the investigators mentioned that for the Identity
finder’s configuration they performed a custom configuration,
thus the DLP solutions may not have been in the same
conditions if some were left as default and others were
configured by the investigators, this could left the vendors in a
not fair competition.
The performance tests were done by operating system using
Windows XP, Windows Vista, Windows Server 2003, and
Windows Server 2008. It has not been described by the
investigators why it was not tested a Linux system in this test.
The by Protected File Type test included HIPAA, PCI, Source
Code, Classified data, Legal information, Media, File Name,
and standards.
The authors considers that an example of data could have been
useful to understand the nature of the information that was
tested. The by Exfiltration Method test was done using: USB
drive, CD, network drive, network printer, webmail, open
source mail, Microsoft mail, P2P sharing, instant messenger,
pasting.
The authors identified that it was not specified the software
and versions that were used for the testing. The author
considers this as crucial information in order to understand the
real capabilities and limitations of the software.
Finally, the agent systems resources tested used of memory,
processor, and hard disk usage. In this section the author
considers that it should have been useful if the investigators
show for which task they did the measurement of memory and
processor utilization, and also how and which tool was used to
get the results. Also it was not specified if the disk usage
reading was just after the installation of the agent or after a
certain number of incidents were saved in the log’s database
of the endpoint.
2.4.2 Perimeter DLP tools evaluation
The investigators Blakely, and Evans [5] performed a previous
evaluation very similar to the one done by Blakely, Rabe, and
Duffy [6], but related to perimeter DLP tools. Here they set up
a small network were DLP was installed in-line between the
internal and the external network, and it was configured a set
of 10 rules.
They tested the speed of the network after applying the filters,
and the test was basically using an external computer to get
files from an internal machine. It was used 1000 files with
sensitive data and some inoffensive data. The vendors used
were Fidelis Security Systems, Palisade Systems, Code Green
Networks and GTB Technologies. The results were presented
in the same way as in the Blakely, Rabe, and Duffy [6]
investigation.
The author considers important to comment that the
investigators did not justified why they chose the tested
vendors, and it was not stated what kind of sensitive data was
being transmitted. It may be useful in order to understand the
context of the sensitive data, which is trying to be protected.
For instance, credit cards numbers (PCI) or personal data (Ley
de Comercio Electrónico, Firmas Electrónicas y mensajes de
Datos) [19]. It is unknown in which context the vendors are
capable of stopping data leaks.
2.4.3 DLP Evaluation that can protect both endpoint, and
perimeter
The most recent investigation performed by Blakely, Rabe,
and Duffy [7], which completed their series of DLP reviews is
about DLP that can protect both endpoint, and perimeter. They
performed the test for the vendors McAfee, and Sophos.
The tested network was bigger than the used before in the
previous evaluations. The test evaluated the installation,
configuration/functionality, device control, remediation
capabilities, monitoring, notification, and workflow. The
author considers important to mention that this test did not
provided the type of sensitive data used nor ether the policies
tested. It was only mentioned that it was found templates for
HIPAA, PCI, and personally identifiable information. It was
positive that for this test the investigators performed an out of
the box policy compliance evaluation.
72
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
All of these tests were performed at the Iowa State University
Internet-Scale Event and Attack Generation Environment
(ISEAGE) Laboratory. It is important to mention that the
investigation done by Blakely, Rabe, and Duffy [6] gives a
good contribution to the present study since it has clearer
metrics than the other researches, it is related to end point DLP,
and it evaluates commercial vendors leaders in the market like
Websense.
3. METHODOLOGY FOR DLP EVALUATION
3.1 General Description
The authors considered suitable the used of the inductive
method [20] in order to test the capabilities of DLP technology.
Since technological solutions are based on the requirements of
the industry, the author considered viable to develop the
methodology using a specific necessity of all private and
public companies [21]. If the investigator does not have a clear
idea of what to protect or which law has to be complied, testing
will be complex and it may face resource limitation problems
since it is aiming to test everything. The private information
related to employees or customers has been chosen due to
support the new productive matrix of the Republic of Ecuador,
where it is imply that services should be improved, so
information security will be the starting point to assure that the
service will be delivered correctly [22]. Consequently, the
authors will proposed a methodology to test the capabilities of
DLP technology by checking how it can prevent the loss of
sensitive person’s data, which according to the “Ley de
Comercio Electronico, Firmas y Mensajes de Datos” from
Ecuador[19], must be protected because it is private
information. The methodology will provide the capabilities of
the DLP technology for this specific scenario, but the
capabilities of the DLP technology can be generalized using
the inductive method [23].
In addition, the specific to general approach will be used in
combination with a quantitative method [24], since the
methodology will propose to gather exact data related to the
capabilities of the software, which help to understand the level
of accuracy to detect sensitive data. The templates proposed
for the quantitative measurement (See section 3.2) shows the
independent variables of this study because they are data,
which is controlled by the investigator [25]. For example, the
sensitive data formats will be the independent variables (See
appendix 1) and the results of DLP capability will be the
dependent variables since they will be reacting depending on
the scenario that is given to the DLP software.
3.2 Sensitive Information
The sensitive information is related to personal information
that employees or customers may supply to organizations. In
general this information includes contact details, such as
identification number, name, gender, date of birth, address,
phone, and email.
Furthermore, the common data formats with sensitive content,
which is proposed in the DLP testing methodology are the
most common recognized based on the extensions of
Microsoft Office, [26], and Open Office (OpenWith 2009).
The common data formats are: txt, doc, docx, rtf, xls, xlsx, csv,
ppt, pptx, pdf, odt, ods, odp, odg, odf, pub, html, and xml.
Also, it is going to be used a filter evasion data type in order
to test the limitations of the DLP technology. They were
chosen by the author as a type that the users may use in order
to bypass the DLP filter, based on extension of images (File
Extensions 2014), cryptography, hash, encoding [27], and
compression [28]. The filter evasion data formats are: png, jpg,
bmp, bin, iso, sha-512, AES-256, tar, gz, tar.gz, 7zip, rar, zip,
zip_password, and base64. All the encrypted, hash,
compressed, and encoded data is proposed to use as an input a
file with sensitive information in a txt format.
3.3 DLP testing and measurement tools
Firstly, the authors designed to begin the testing methodology
with a characterization of the DLP technology using
parameters based on the investigation of Blakely, Rabe and
Duffy [6], Mogull [8], and the datasheets of the Open Source
tools selected OpenDLP [29], and MyDLP [30]; and one of the
commercial leaders in DLP technologies according to Gartner,
Websense. In this stage, it is proposed to get the capabilities of
the DLP software in: resources required, variety of filters type,
deployment flexibility, functionality, granularity of policy
templates, and granularity of reactions against an incident. The
authors considered important to include in this section metrics
related to the user experience when using the software as well
[6]. See the complete tables for DLP software characterization
in Appendix 2. In this stage the methodology obtains the
general characteristics of the DLP software in order to give a
context of the technical features of the DLP.
Secondly, the testing methodology will check how the DLP
technology is able to identify policy violation related to
sensitive data. The authors generated a table with the most
common methods that DLP solutions detects policy violation
related to sensitive data, which are: regular expressions,
dictionary lists, and fingerprinting [6, 8], and these techniques
are going to be used to detect policy violation related to each
sensitive data, that according to the “Ley de Comercio
Electrónico, Firmas y Mensajes de Datos”, should be protected
(See section 3.2). This data corresponds to: ideology, political
association, ethnic origin (structured), disability (structured),
sexual preference, migratory status, and religion
(unstructured) according to the “Ley del Sistema Nacional de
Registro de Datos Públicos”[31]. The authors in this stage of
the methodology propose to test the capabilities of the DLP
solutions to detect policy violation for these specific types of
sensitive data, using predefined and user defined policies. The
predefined policies of the software will be used with their
default configuration in order to verify the effectiveness of the
DLP software with the default configuration. Also, it will be
generated by the author policies tailored for the specific
purpose of the organization, which in most cases will be
specified in the information security policy. This section of the
methodology is done in order to test if the software is flexible
73
López G.*; Richardson N.**; Carvajal J.* _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
to support the specific scenario for the industry. This stage will
be testing the DLP software using files with sensitive
information in txt format copied to a removable device channel
since they are one of the simplest format and common
channels in organizations for endpoints. If the software only
supports data at rest, it will be perform a discovery scan. This
part of the methodology does not focus on file formats nor
channels because it will be evaluating the methods to detect
policy violations related to classified data, and not the file
cracking capabilities of the DLP solution. See Appendix 3 for
the summary table that is going to be used for testing the
method of policy violation detection related to sensitive
information.
Thirdly, it is proposed to be performed a functionality test for
endpoint and data at rest DLP technology focusing in different
data formats files containing sensitive data against the
channels that the user may utilize to leak information. To
begin, in this stage of the methodology, it is going to be
evaluated if a policy is able to prevent a data loss, using all the
common and filter evasion data formats defined for sensitive
information in section 3.2, such as txt, pdf, doc, bmp, zip, etc.,
and this will be put in contrast with the channels that the user
may use to leak sensitive information out of the company. The
channels defined by the author were based on the most
common channels used in a company and also it is supported
in the investigation done by [6]. The channels proposed to test
the capabilities of the DLP technology in preventing data loss
are: USB or removable device, printer, Email, HTTP, HTTPS,
FTP, SSH, Shared folders or network folders, and CD burning.
The outcome of this experiment will present which data format
is detected and not detected through the different channels of
the data endpoint.
In addition, the testing methodology for data at rest will check
if the different data formats can be discovered by the DLP
technology in File Systems and Databases verifying if it is
required an agent or it can be performed an agentless
operation. The discovery of sensitive information in databases
will be tested having the classified information stored in plain
text, encrypted, and hash. The methodology is able to support
any Database management system (DBMS), such as MS SQL
Server [13], or MySQL [32], which are one of the most popular
DBMS in Windows and Linux Systems respectively.
It is important to mention that the procedure proposed will
support clients in Windows and Linux Systems. All the tables
related to data formats vs channels testing endpoints and data
at rest DLP can be seen in Appendix 1.
3.4 Chosen DLP technology and testing environment
The DLP software, which can be tested could be Open Source
or Commercial, since it does not depend on the type of vendor,
but it depends on its capabilities and mechanisms.
In addition, it is recommended to use a virtual environment
when testing the DLP evaluation methodology due to the
flexibility and friendly testing environment.
4. CONCLUSION AND FUTURE WORK
It was obtained a methodology to evaluate DLP technologies
for either open source or commercial software, for private or
public institutions, who are requested by law to secure the
personal information of employees or clients. The
methodology also took characteristics of leading open source
and commercial software related to DLP technologies in order
to generate template for DLP evaluation.
The future work is the possibility of testing the methodology
against Open Source, and commercial software in order to
analyze if the methodology, and the DLP technology is
effective.
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López G.*; Richardson N.**; Carvajal J.* _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Appendix 1. Data Formats vs Channels Testing for Endpoints and Data at Rest DLP
-Data Formats vs channels functionality test for endpoint (common data type)
- Data formats vs channels functionality test for endpoint (filter evasion data type)
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Methodology for Data Loss Prevention Technology Evaluation for Protecting Sensitive Information _________________________________________________________________________________________________________________________
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- Data formats vs channels functionality test for file systems - data at rest (common data type)
- Data formats vs channels functionality test for file systems - data at rest (filter evasion data type)
- Data formats vs channels functionality test for data bases - data at rest
Appendix 2. DLP Software Characterization Tables
- User experience
Key Score:
- Resources required
- Capabilities
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López G.*; Richardson N.**; Carvajal J.* _______________________________________________________________________________________________________________________________
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Appendix 3. Testing the method of policy violation detection related to
sensitive information that the Ecuadorian Law “Ley del Sistema Nacional de
Registro de Datos Públicos” implies to protect.
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Análisis del Algoritmo Esteganográfico F5 para Imágenes JPEG a Color _________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
1. INTRODUCCIÓN
Históricamente la Esteganografía es una técnica muy antigua
que data del año 474 A.C. y que goza de trascendental
importancia en la actualidad ya que desde el punto de vista
informático, la Esteganografía es el conjunto de métodos y
técnicas para hacer pasar desapercibido o camuflar un
mensaje.
La Esteganografía se puede ver muy relacionada con la
criptografía, pero se diferencia en que esta última, cifra o
codifica los mensajes dejándolos ininteligibles, para esto la
Esteganografía trata de ocultar el envío del mensaje dentro de
un portador de apariencia normal, sin transmitirlo
necesariamente cifrado.
Tomando en cuenta esta definición y considerando que en la
actualidad se ha incrementado mucho las restricciones al
acceso de manera libre a la información, se están ideando
nuevas maneras para lograr ocultamiento de información
importante dentro de archivos que son muy comunes como
las imágenes.
El algoritmo F5 es relativamente nuevo en el campo de la
Esteganografía, el cual fue introducido por los investigadores
alemanes Pfitzmann y Westfeld en el 2001 mientras que el
algoritmo LSB es ampliamente difundido
Técnicas y Requerimientos para la Esteganografía [1]
Existen básicamente tres tipos de técnicas Esteganográficas
dentro de las cuales se tiene: pura, de clave secreta y de clave
pública. El sistema de Esteganografía pura se caracteriza por
no requerir un intercambio previo de información como por
ejemplo, claves compartidas, por lo tanto no se necesita
información para iniciar el proceso de comunicación y la
seguridad de este sistema, solo depende de la discreción. En
la Fig 1. se muestra el sistema.
Figura 1. Sistemas de Esteganografía Pura.
Un sistema de Esteganografía de clave secreta, Fig. 2, es muy
parecido a un sistema de cifrado simétrico, en el cual el
emisor selecciona una cubierta e incrusta el mensaje secreto
en la cubierta haciendo uso de una clave secreta. Si el
receptor conoce la clave secreta, este puede obtener el
mensaje oculto.
Figura 2. Sistemas de Esteganografía de Clave Secreta.
La Esteganografía de clave pública no requiere del
intercambio de una clave secreta. Este sistema requiere de
dos claves, una privada (secreta), la cual es usada en el
proceso de inserción del mensaje secreto y la otra pública, la
cual es almacenada en una base de datos pública. La clave
secreta es usada para reconstruir el mensaje.
Análisis del Algoritmo Esteganográfico F5 para Imágenes JPEG a
Color
Morocho E.*; Zambrano A.*; Carvajal J.*; López G.*
*Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Quito, Ecuador
e-mail: { enriquembmw, jose.zambrano;jorge.carvajal;gabriel.lopez}@epn.edu.ec
Resumen: El presente trabajo se basa en el análisis del algoritmo esteganográfico F5 para imágenes JPEG a color,
determinando características de Invisibilidad, Robustez y Capacidad de Embebido en imágenes, comparado con el
algoritmo LSB. Se presenta el Estegoanálisis visual, estadístico R-S, Chi cuadrado del algoritmo F5 y LSB.
Palabras clave: Esteganografía, Estegoanálisis, JPEG, Algoritmo F5, Algoritmo LSB, Estego-Imagen.
Abstract: This investigation is based on the analysis of the steganography algorithm F5 for JPEG color images,
determining invisibility characteristics, performance, and capacity of the embed process in comparison with the
LSB algorithm. It is presented the visual steganography analysis, statistics R-S, Chi square from the algorithm F5
and LSB.
Keywords: Steganography, JPEG, F5 algorithm, LSB algorithm, Steganalysis, Stego-Image
79
Morocho E.*; Zambrano A.*; Carvajal R.*; López G.* _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Los requerimientos fundamentales para la Esteganografía
son: invisibilidad el cual está relacionado a la calidad de la
estego-imagen resultante luego del proceso de ocultamiento
por parte del sistema esteganográfico. La robustez Se refiere
al grado de inmunidad que presenta la información oculta
ante las diferentes manipulaciones que pueda sufrir el objeto
utilizado como cubierta. Entre las manipulaciones más
comunes se encuentran el filtrado, re-muestreo y el recorte de
áreas o secciones no deseadas y por último la capacidad de
Embebido que representa la cantidad de bits de información
secreta que pueden ser embebidos dentro de la imagen que se
usará como cubierta. Se debe tener en consideración que el
nivel de invisibilidad no es proporcional a la capacidad de
embebido por lo que, estas dos características deben ser
tomadas muy en cuenta por los algoritmos de Esteganografía
2. DESCRIPCIÓN DE LOS ALGORITMOS
ESTENOGRÁFICOS
2.1 LSB Least Significant Bit
Es el algoritmo más fácil de implementar, por lo cual es muy
utilizado para realizar Esteganografía con imágenes y
archivos de audio.
En el método LSB normal, el proceso de embebido, consiste
en sustituir x-bits de información secreta, por los x-bits,
menos significativos, usados para representar el valor de un
píxel de la imagen que se utilizará para cubierta. En el
proceso de extracción, se toman los x-bits menos
significativos de cada píxel de la estego-imagen y se
reconstruye la información secreta como se muestra en la
Fig. 3.
Figura 3. Descripción del Algoritmo Esteganográfico LSB.
OpenStego es un software de código abierto desarrollado en
Java que permite la ocultación de información dentro de
imágenes haciendo uso del algoritmo esteganográfico LSB.
Las imágenes de entrada que acepta el programa pueden ser
de cualquier formato, entre tanto que las estego-imágenes
producidas por el programa solo tienen el formato bmp,
formato elegido por el creador del programa porque no tiene
pérdidas de información.
El programa permite guardar la estego-imagen generada, la
cual tendrá el formato bmp sin importar cuál sea su formato
original.
Además el programa permite elegir cuantos bits menos
significativos se van a utilizar de cada pixel para
reemplazarlos con bits de información oculta, en este caso se
va a escoger el mínimo que es 1 bit, esto para asegurar que la
estego-imagen producida no sea distorsionada.
2.1 Algoritmo Esteganográfico F5
El algoritmo trabaja en el dominio de la frecuencia con los
coeficientes de la transformada discreta Coseno (DCT). El
algoritmo oculta los bits del mensaje dentro de coeficientes
DCT de una imagen JPEG escogidos de manera aleatoria y
emplea una matriz de embebido que minimiza el número de
cambios necesarios para ocultar un mensaje de cierta
longitud. De acuerdo a la descripción del algoritmo F5 [8],
acepta las siguientes entradas:
Un factor Q de calidad para la estego-imagen (por
defecto = 75).
Un archivo de entrada que puede ser JPEG, BMP,
TIFF o GIF.
El nombre del archivo de salida.
Un archivo que contiene la información a ocultar.
Un password de usuario (estego-clave) que será
usado como semilla para un Generador Pseudo-
aleatorio de Números (GPAN).
Un comentario puede ser insertado de manera
opcional en la cabecera de la imagen JPEG.
Además el proceso de embebido, del algoritmo F5, tiene la
siguiente estructura:
En el proceso de compresión de la imagen JPEG, se
detiene antes de la cuantificación de los coeficientes.
Calcula la tabla de cuantificación correspondiente al
factor de calidad Q y se comprime la imagen
mientras se almacenan los coeficientes DCT
cuantificados.
Calcula la capacidad estimada, sin la matriz de
embebido mediante la siguiente Ecuación.
𝐶 = ℎ𝐷𝐶𝑇 −ℎ𝐷𝐶𝑇
64− ℎ(0) − 0,51 ∗ ℎ(1) (1) [9]
ℎ𝐷𝐶𝑇 : Número de todos los coeficientes DCT.
ℎ(0) : Número de todos los coeficientes AC iguales a
cero.
ℎ(1) : Número de todos los coeficientes AC con valor
absoluto igual a 1. ℎ𝐷𝐶𝑇
64: Número de todos los coeficientes DC.
−0,51 ∗ ℎ(1) : Perdida estimada durante el proceso de
contracción, el cual se describirá más adelante.
Para determinar la mejor matriz de embebido se utiliza la
capacidad C y la longitud de la información a ocultar.
Asimismo la estego-clave es utilizada para generar una
semilla para el Generador de Números Pseudo-aleatorio, con
80
Análisis del Algoritmo Esteganográfico F5 para Imágenes JPEG a Color _________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
el cual se genera un camino aleatorio que sirve para colocar
los bits de la información oculta. Durante el proceso de
embebido, los coeficientes iguales a cero y los coeficientes
DC son omitidos.
Determinar el valor de k, el cual se calcula utilizando la
capacidad estimada y la longitud del mensaje a ocultar. Cabe
mencionar que el valor de k y la longitud del mensaje deben
ser encriptados usando un cifrador de flujo.
La información a ocultar es dividida en segmentos de k-bits
los cuales se intenta embeberlos dentro de los siguiente 2^k-1
coeficientes. Los coeficientes cero son omitidos para
mantener el histograma de coeficientes AC intacto. Ahora se
aplica un hash a los actuales k-bits del mensaje dentro del
actual grupo de 2^k-1 coeficientes. Si el valor del hash es
cero, significa que los k-bits se embebieron sin realizar
ningún cambio. Si el valor es j, se decrementa en uno el valor
absoluto del coeficiente c_j. Si el nuevo valor de c_j no es
cero, significa que los k-bits de información a ocultar han
sido embebidos realizando un solo cambio; caso contrario, si
el valor de c_j es cero, se dice que ha ocurrido una
contracción, c_j es posteriormente removido de la lista y se
toma el siguiente coeficiente para realizar el proceso
nuevamente.
Este proceso se realiza hasta que la lista de coeficientes
distintos de cero o la lista de bits del mensaje se termine. Si la
lista de coeficientes finaliza antes que la lista de bits del
mensaje, significa que el algoritmo F5 no ocultó la totalidad
del mensaje y debe emitir un mensaje de error advirtiendo el
tamaño máximo de la información a ocultar [6].
El algoritmo F5 esta implementado en el software
computacional Matlab y el esquema que componen la
interfaz gráfica se presenta en la Fig 4. Se ha considerado
conveniente definir cada una de las etapas del algoritmo F5,
en varios archivos .m, para evitar una sobrecarga de código y
pueda ser más legible a la hora de corregir ciertos detalles del
programa, el programa acepta diferentes formatos de imagen
pero antes de comenzar las etapas de sub-muestreo las
estandariza al formato BMP.
3. ESTEGOANÁLISIS [17, 18]
El Estegoanálisis es la técnica que estudia los métodos que
permitan la detección de mensajes ocultos usando
Esteganografía. Dichos mensajes pueden estar ocultos en
diferentes tipos de medio, como pueden ser: imágenes
digitales, ficheros de vídeo, los ficheros de audio o incluso un
simple texto plano.
En el Estegoanálisis considera que un sistema ha sido
vulnerado con detectar la existencia de información oculta.
Existe diferentes tipos de Estegoanálisis para imágenes y
dentro de las más importantes se tiene Estegoanálisis Visual
y Estadístico
El primer ataque consiste en lograr identificar de manera
visual partes sospechosas de una imagen, siempre y cuando
se disponga de la imagen original. Este proceso se lo puede
realizar sin modificar la imagen con lo cual no se asegura que
el Estegoanálisis tenga el éxito deseado, ya que la mayoría de
algoritmos esteganográficos intentan pasar desapercibidos
visualmente.
InicioF5.m
InterfazF5.m
AtaqueF5.mSubmuestreo.m
Cuantiz.m
F5enc.m
Estructura_base_JPEG.mat
Jpeg_write.mex
Jpeg_read.mex
PRNG.m
RC4enc.m
F5dec.m
RC4enc.m
PRNG.m
Decuantiz.m
Sobremuestreo.m
AtaqueLSB.m
Figura 4. Esquema del algoritmo implementado F5.
Si a la estego-imagen se la somete a algún proceso y
nuevamente se realiza la inspección visual se puede obtener
un resultado exitoso, [21] donde los investigadores someten
a un ataque visual a varios algoritmos Esteganográficos. De
manera general, un ataque visual consiste en las etapas
mostradas en la Fig 5.
81
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Estego-imagen
Extracción de los bits que potencialmente
conforman el mensaje
Gráfica de los bits recuperados del
mensaje
Figura 5. Esquema de una ataque visual
El estegoanálisis Estadístico consiste en el cotejo de la
frecuencia de distribución de los colores de una estego-
imagen, la cual puede ser dividida en dos grupos de datos, el
grupo de datos de la imagen al cual se refiere básicamente a
los valores que toman los píxeles para formar los diferentes
colores que conforman la imagen y el grupo de datos del
mensaje oculto el cual, por lo general, se distribuye de
manera aleatoria.
Un ejemplo de este tipo ataque se denomina Chi-cuadrado
[21, 19] Este tipo de ataques aparecen en la literatura
académica como métodos esteganográficos sobre imágenes
en las que se hayan aplicado algoritmos esteganográficos que
modifican el bit menos significativo.
Este tipo de ataques posibilita la comparación entre las
propiedades estadísticas de la estego-imagen con las
propiedades estadísticas supuestas de la imagen original.
Como se puede notar, este tipo de ataque es ampliamente
utilizado porque no necesita de la imagen original
Entre otro tipo se tiene el ataque estadístico R-S [26] que
permite estimar además el tamaño aproximado del mensaje
oculto. El método deja de ser efectivo cuando la imagen
original es ruidosa de por sí, reduciendo también su
efectividad cuando los bits de mensaje no son distribuidos de
forma aleatoria en la imagen portadora, aunque existen
variaciones del algoritmo para solventar esta última
debilidad.
4. PRUEBAS Y ANÁLISIS
Para las pruebas se realiza la ocultación de información en
diferentes fotografías que poseen características distintas
tanto en tamaño como en la distribución de colores. Con esto
se pretende obtener variedad de posibilidades para realizar el
análisis.
Las imágenes mostradas desde la Fig. 6 hasta la Fig. 9 han
sido seleccionadas para ser utilizadas como cubierta para
ocultar un mensaje y realizar diferentes ataques de
Estegoanálisis que permitirán demostrar las ventajas o
desventajas de cada uno de los algoritmos esteganográfico
LSB y F5. Por otra parte dichas imágenes presentan las
mismas dimensiones en píxeles, el formato de las imágenes
son bmp.
Figura 6. Imagen bmp paisaje 256x256 [25]
Figura 7. Imagen bmp circuito 256x256 [24]
Figura 8. Imagen bmp Mandrill 256x256 [3]
Figura 9. Imagen bmp mural 256x256 [7]
Se ha escogido una imagen de prueba el cual va a ser
ocultado en todas las imágenes usando los algoritmos
Esteganográficos LSB y F5, para luego realizar los
respectivos ataques de Estegoanálisis. Para esto se ha
seleccionado la imagen de la Fig. 10 llamada button-css que
tiene un tamaño de 300 bytes.
Figura 10. Imagen png button-css 80x15
82
Análisis del Algoritmo Esteganográfico F5 para Imágenes JPEG a Color _________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
4.1 LSB Ataque Visual con el algoritmo LSB
En la Fig. 11 se muestra el ataque visual a las imágenes
utilizadas como cubierta y a las respectivas estego-imágenes
LSB, se debe mencionar que algunas de las imágenes
originales han sido transformadas al formato bmp, esto para
facilitar el análisis y la efectividad del ataque.
Figura 11. Ataque Visual a la Imagen Original circuito.bmp sin información
Oculta
Figura 12. Ataque Visual a la Estego-Imagen circuito.bmp con información
oculta
Como se puede apreciar en la Fig. 11 correspondiente el
ataque visual a la imagen original usada de cubierta, se
produce un resultado homogéneo en la imagen generada,
pero si se analiza las figuras correspondientes al ataque visual
realizado a las estego-imágenes LSB, se puede notar una
ligera distorsión en la parte superior de la imagen generada,
lo cual significa que la información ha sido ocultada en esa
parte y además esa información permite tener una ligera idea
del tamaño de la información oculta ya que se puede apreciar
que ocupa alrededor de un 2% a 3% de la imagen.
4.2 LSB Ataque Visual con el algoritmo F5
En las figuras se analiza el ataque visual a las imágenes
anteriores pero se ha ocultado la información mediante el
algoritmo F5. Cabe mencionar que el algoritmo F5 trabaja
sobre imágenes bmp, las imágenes usadas como cubierta
también han sido modificadas a este formato, usando un
factor Q=75 y un submuestreo horizontal 4:2:2 esto para
asegurar una calidad aceptable en las imágenes producidas..
Figura 13. Ataque Visual a la Imagen circuito.bmp sin información Oculta.
Figura 14. Ataque Visual a la Estego-Imagen circuitoF5.bmp con información Oculta.
En las Fig. 13 y 14 se aprecia los resultados producidos por
los ataques visuales los cuales tienen una consistencia
homogénea tanto para la imagen original y la estego-imágen,
con lo cual se observa que el algoritmo F5, la información
oculta permanece inadvertida si se aplica Estegoanálisis
visual.
4.3 Ataque Estadístico R-S
En la tabla I se presentan los resultados obtenidos al analizar
las imágenes originales y las estego-imágenes utilizando el
ataque estadístico R-S.
Tabla 1. Ataque R-S a Imágenes y Estego-Imágenes
Los resultados obtenidos del ataque R-S a las imágenes
originales, se tiene que una de las cuatro imágenes están
dentro del umbral apropiado para una imagen sin
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Morocho E.*; Zambrano A.*; Carvajal R.*; López G.* _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
información oculta el cual está entre 1 % – 3 %, para las
imágenes que no cumplen con este valor se puede decir que
se ha dado un falso positivo, en estos casos depende de la
cantidad de información que se está ocultando dentro de estas
imágenes que por lo visto no alcanza el umbral mínimo
permitido que como se observa varía de acuerdo al tamaño y
la cantidad de detalles que posee la imagen, cabe mencionar
que la información oculta se refiere a un tamaño aproximado
que brinda la función RS.
Si ahora se analizan los resultados del ataque R-S a las
estego-imágenes que ocultan información con el algoritmo
LSB, se muestra que cuatro de las cuatro imágenes han
sobrepasado el umbral permitido para que una imagen se
considere sin información oculta, con lo cual se puede
observar la precisión del ataque R-S para la detección de
información oculta cuando se usa el algoritmo
esteganográfico LSB. Por otro lado se observa que el tamaño
aproximado de la información oculta varia de una imagen a
otra y que el resultado que más se aproxima se lo encuentra
en la imagen circuito.bmp, estas variaciones se deben a los
tamaños y cantidad de detalles que poseen las imágenes.
Si ahora se observan los resultados obtenidos del ataque-RS a
las estego-imágenes que ocultaron información con el
algoritmo F5, se tiene que tres de las cuatro imágenes están
dentro del umbral permitido para una imagen sin información
oculta, con lo cual se puede concluir que el ataque R-S no es
eficiente para detectar información oculta empleando al
algoritmo F5.
4.4 Ataque Estadístico Chi-Cuadrado
En la Fig. 15 se presentaran los resultados obtenidos al
realizar el ataque Chi-Cuadrado a las diferentes imágenes
cubierta y estego-imágenes. Los resultados se muestran en el
siguiente orden: estego-imagen LSB (izquierda), imagen
original (centro) y estego-imagen F5 (derecha).
Figura 15. . Resultados del ataque Chi-Cuadrado a la imagen cubierta circuito.bmp y sus respectivas estego-imágenes
El ataque Chi-Cuadrado, en el eje X se representa el tamaño
posible de la información oculta y en el eje Y se representa la
probabilidad de que la imagen contenga información oculta.
Se presentaron resultados variados y en algunos casos no
ayudan a clarificar si la imagen en realidad posee o no
información oculta.
Se dio el caso que ninguna de las imágenes posee
información oculta descartando las estego-imágenes que en
realidad si poseen información oculta. Estos resultados se
presentan de esta manera ya que las imágenes utilizadas
como cubierta tienen una resolución alta con la cual se podría
ocultar archivos más grandes al utilizado como ejemplo en
este análisis, cabe mencionar que no se debe exagerar en los
tamaños de la información que se oculta porque precisamente
lo que buscan los algoritmos de Esteganografía es pasar
inadvertidos ante cualquier algoritmo de Estegoanálisis.
En la Fig. 15 la imagen original aparece con altas
probabilidades de contener información oculta, lo cual hará
sospechar de todas las imágenes obtenidas a partir de esta. En
los casos en los que los ataques de Estegoanálisis presentan
resultados tan contradictorios es mejor cerciorarse por todos
los métodos posibles para así obtener un resultado verídico y
eliminar los falsos positivos que son muy comunes a la hora
de realizar Estegoanálisis
5. CONCLUSIONES
Al realizar una comparación entre el algoritmo LSB y F5
para Esteganografía muestra que el algoritmo F5 tiene
mayores ventajas en cuanto Invisibilidad, Robustez y
Capacidad
Con el algoritmo esteganográfico implementado no se
pretende tener un sistema irrompible sino más bien un
referente para saber cómo funciona el algoritmo de
Esteganografía, que componentes influyen en la calidad de la
estego-imagen obtenida, que factores influyen en la
capacidad de una determinada imagen, para ocultar cierta
cantidad de información y obtener un conocimiento general
de una de las diferentes técnicas que existen para detectar si
una imagen contiene o no información oculta.
Los análisis realizados a las diferentes imágenes con
información oculta, se puede evidenciar que por ejemplo, en
los ataques visuales realizados a aquellas imágenes que
emplean el método LSB secuencial, se presenta una
distorsión (franja) en cierta parte de la estego-imagen
evidenciando así donde ha sido ocultada la información, cosa
que con las estego-imágenes F5 no se produce. Ahora en lo
referente a los ataques estadísticos en cambio, se han
analizado ciertas propiedades específicas de las estego-
imágenes que como se ha visto en los resultados no se ven
afectadas al utilizar el algoritmo F5
De acuerdo a los resultados obtenidos en las pruebas de
Estegoanálisis se concluye que en ocasiones no es suficiente
utilizar un solo método para determinar si una imagen
contiene o no información oculta y como se pudo apreciar los
ataques de Estegoanálisis más efectivos para detectar
Esteganografía LSB son el ataque visual y el ataque R-S.
Una imagen posee un rango variado en lo referente altamaño
máximo de información que puede ocultar, esto dependerá
del tamaño de la imagen, de la cantidad de variaciones de
color que presente la imagen y principalmente del factor de
calidad Q seleccionado para la imagen de salida.
Dada la sensibilidad del algoritmo F5 ante el cambio en el
valor de un pixel en la estego-imagen, este algoritmo
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Análisis del Algoritmo Esteganográfico F5 para Imágenes JPEG a Color _________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
soportaría mínimas o casi nulas modificaciones o alteraciones
en la estego-imagen, dado que si esto ocurre el mensaje
oculto no podrá ser recuperado.
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85
Efecto de la Sustitución de Agregado Fino por Ceniza Proveniente del Proceso de Incineración en Bruto de Residuos Sólidos Industriales en la Elaboración de Hormigón de Baja Resistencia
__________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
1. INTRODUCCIÓN
La incineración es un procedimiento utilizado para la
eliminación de desechos sólidos, líquidos o gaseosos, estos
últimos no suelen formar parte de aquellos que usualmente
son tratados en una planta de este tipo. La destrucción
térmica de los residuos tóxicos y peligrosos implica la
exposición controlada de los mismos a elevadas temperaturas
(normalmente a 900 °C o incluso más) y, generalmente, en un
medio oxidante. Idealmente, los principales productos
generados en la combustión de residuos orgánicos son el
dióxido de carbono (CO2), el vapor de agua, y cenizas inertes.
Nirich [20].
Efecto de la Sustitución de Agregado Fino por Ceniza Proveniente del
Proceso de Incineración en Bruto de Residuos Sólidos Industriales en
la Elaboración de Hormigón de Baja Resistencia
Benavides G.*; Luna G.*; Montenegro L.*
*Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Civil y Ambiente; Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria,
Quito, Ecuador e-mail: {german.luna; lucia.montenegro}@epn.edu.ec
e-mail: [email protected]
Resumen: El presente estudio se realizó con el fin de determinar la factibilidad del proceso de encapsulamiento de
ceniza generada a partir de la incineración en bruto de residuos industriales en una matriz de hormigón. Se exponen por
tanto resultados de la eficiencia del proceso de estabilización en función de la concentración de metales lixiviados y
análisis de la variación en las propiedades físicas y mecánicas del hormigón convencional como consciencia de la
adición de ceniza (15 %, 20 %, 25 %, 30 %) en reemplazo del agregado fino de la mezcla cementante. Para ello, se
fabricaron probetas cilíndricas de 30 x 15 cm y viguetas de 60 x 15 x 15 cm, 40 x 10 x 10 cm de largo, ancho y alto
respectivamente. Los ensayos físico mecánicos determinaron propiedades superiores para un porcentaje de reemplazo del
15 % de ceniza por agregado fino en la mezcla de hormigón convencional, obteniendo resultados de resistencia a la
compresión de 202.79 kg/cm2 que representa una diferencia del 2.07 % con respecto al hormigón base; módulo de
elasticidad 33.94 (GPa); módulo de rotura 33.16 kg/cm2; resistencia a la tracción indirecta 18.25 kg/cm
2; esfuerzo de
adherencia 3.58 (MPa); velocidad sónica 3619 m/s; peso específico S.S.S 2301 kg/m3, absorción de agua 1.073 % y
volumen de poros 2.451 %. Finalmente, los resultados de la evaluación del proceso de encapsulación demostraron la
eficiencia del mismo al reducir la concentración de metales en el lixiviado hasta un 97.45 % para el bario y 93.91 % para
el níquel; para los metales: arsénico, cadmio, cromo, mercurio, plata, plomo y selenio existieron concentraciones por
debajo del nivel mínimo de detección del equipo, sin embargo es posible evidenciar la reducción de la concentración de
estos metales respecto de la concentración de los mismos de la ceniza en estado libre.
Palabras clave: Incineración, encapsulación, hormigón, lixiviación de metales, residuos peligrosos.
Abstract: The current study was conducted in order to determine the feasibility of the stabilization process of ash
generated from incinerated industrial waste in a concrete matrix. The report thus presents efficiency results of
stabilization process as a function of leached metal concentration and analysis of the variation in physical and mechanical
properties of conventional concrete as a result of the addition of ash (15 %, 20 %, 25 % and 30 %) to replace fine
aggregate of the cementing mixture. Cylindrical specimens of 30 x 15 cm and joists of 60 x 15 x 15 cm and 40 x 10 x 10
cm in length, width and height respectively were manufactured. Physical - mechanical tests determined superior
mechanical properties for a concrete conventional mix with a 15 % replacement of ash, obtaining results of compressive
strength 202.79 kg/cm2 which represents a difference of 2.07 % compared to bases concrete; modulus of elasticity 33.94
(GPa); modulus of rupture 33.16 kg/cm2; indirect tensile strength 18.25 kg/cm
2; bond stress 3.58 (MPa); sonic velocity
3619 m/s; SSS specific gravity 2301 kg/m3, water absorption 1.073 % and pore volume 2.451 %. Finally the results of
the evaluation of the encapsulation process demonstrated its efficiency in reducing the concentration of leached metals up
to 97.45 % for barium and 93.91 % for nickel; for: arsenic, cadmium, chromium, mercury, silver, lead and selenium the
concentrations levels were below the minimum detection level of the equipment, however it is possible to demonstrate
the reduction of the concentration of these metals based on its concentration in free state ash.
Keywords: Incineration, encapsulation, concrete, metal leaching, hazardous waste, recycling, alternative materials.
86
Benavides G.*; Luna G.*; Montenegro L.* _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
En el Ecuador la actividad petrolera es una de las industrias
que genera gran cantidad de residuos sólidos provenientes de
cada una de las etapas, desde la extracción, transporte,
almacenamiento hasta el proceso de refinación del crudo, que
se traduce en un problema ambiental para su gestión. Bravo
[10]. Los desechos industriales provenientes de esta actividad
comúnmente incinerados son los siguientes: absorbentes
orgánicos; madera, aserrín y similares; empaques de caucho
de filtros; tintas, pintura, lacas o barnices; cartón, papel y
relacionados que se encuentren contaminados con
hidrocarburos; contenedores plásticos y tapas de tubos;
wipes, fibras y textiles; geosintéticos; esponja y poliuretano,
espumas; lodos, arenas y arcillas contaminadas; equipos de
protección personal; desechos sólidos domésticos; vegetación
y residuales de aceite y lubricantes. Gpower [13].
Las cenizas generadas tienen contaminantes tóxicos en su
composición como el Cd, Pb, Zn, los cuales presentan un
potencial lixiviante importante, y a la hora de gestionar estos
residuos es necesario controlar y tratar el lixiviado que puede
llegar a producirse al momento de la aplicación de estos
residuos. Ribeiro et al [23].
Entre las aplicaciones de las cenizas, como subproducto de la
incineración se encuentra la elaboración de hormigones, la
cual se puede utilizar de las siguientes maneras: a)
incorporación directa en la mezcladora, b) adición inerte, es
decir, como un elemento sustituto o en muchos casos
suplementario de agregado fino si existe deficiencia en ellos
y un tercer caso c) mezclado con el clinker en la preparación
de cementos. De igual manera, se busca disminuir los costes
de producción, mejorar las propiedades micro-estructurales
del producto final y también los aspectos medioambientales
al transformar un residuo en componentes con valor
agregado. Santaella y Salamanca; Hidalgo [26, 18].
Mediante este proyecto, se busca gestionar este residuo
dándole un valor agregado en la fabricación de mampuestos
de uso peatonal u ornamental que se convertirá en una nueva
opción en lo concerniente a la gestión de desechos sólidos.
Sin embargo, esta disposición podría adaptarse a otros
residuos los cuales pudieran mejorar las características de los
mampuestos a fabricar como se reportó en el estudio de
Poveda, en la elaboración de adoquines de hormigón tipo A.
Poveda et al [22].
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1Materiales
2.1.1Cemento
Se utilizó cemento hidráulico tipo GU para construcciones en
general que cumple con la norma NTE INEN 2380 [17] y
disponible comercialmente en el país. Las densidades real y
aparente (suelta y compactada) del cemento utilizado es de
2840 kg/m3; 1050 kg/m
3 y 1320 kg/m
3 respectivamente.
2.1.2 Agregados
Se realizó la determinación de las propiedades físicas de los
agregados que se utilizaron para el diseño de la mezcla de
hormigón convencional los cuales fueron de dos tipos (grueso
y fino). Los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 1.
Tabla 1. Propiedades físicas de los agregados grueso y fino
Propiedad Agregado
Grueso Fino
Densidad real (kg/m3) 2310 2540
Masa unitaria suelta (densidad aparente) (kg/m3) 1670 1410
Masa unitaria compactada (densidad aparente)
(g/cm3) 1.84 1.49
Absorción (%) 12.79 4.43
Granulometría d80 (mm) - 2.36
módulo de finura (MF) - 3.0
Tamaño máximo (cm) 2.54 -
2.1.3 Ceniza
La combustión originada al interior de un horno de
incineración genera un tipo de residuo de color negro con un
tamaño de partícula menor a 5 (mm) como se muestra en la
Fig. 1. La ceniza para su uso como aditivo en la fabricación
de hormigones de cemento ha sido clasificada en la norma
ASTM C 618 [6] en dos tipos generales: de clase C y clase F,
de acuerdo a la cantidad de los tres principales óxidos (SiO2
+ Al2O3 + Fe2O3) éstos deben ser, en total, más de 50 % para
la clase C y más de 70 % para la clase F. Mediante el análisis
de Difracción de Rayos X, la ceniza proveniente del proceso
de incineración en bruto de residuos industriales se clasificó
como tipo C según el criterio ASTM (American Standard for
Testing and Materials) ya que el total de los principales
óxidos fue de 58 %. A partir de la granulometría realizada a
este tipo de residuo se obtuvo el tamaño máximo nominal
mediante el cálculo del d80, que constituyen el tamaño para el
cual 80 % de material es más fino, que en este cao es de 1.52
(mm). Densidad real, aparente, porcentaje de vacío y
contenido de humedad de la ceniza fue de 2300 kg/m3, 930
kg/m3, 87.61 % y 17.16 % respectivamente. Las propiedades
físicas y composición química de la ceniza se presentan en la
Tabla 2.
Tabla 2. Propiedades físicas y composición química de la ceniza
Composición química (%)
(Na,Ca)Al(Si,Al)Si2O8 35
SiO2 29
Fe2O3 1
CaMgSi2O6 22
CaSiO3 6
KAlSi3O8 5
FeO(OH) 2
Propiedades físicas
Densidad real (kg/m3) 2300
Densidad aparente (kg/m3) 930
Porcentaje de vacíos (%) 87.61
Granulometría d80 (mm) 1.52
Contenido de humedad (%) 17.16
87
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Figura 1. Ceniza recolectada del proceso de incineración
2.2 Métodos
2.1.1 Diseño de la mezcla
El desarrollo de la investigación se dividió en dos partes. La
primera consistió en determinar los efectos del contenido de
cenizas en la elaboración de hormigón mediante la
comparación de las propiedades físicas en estado fresco y
endurecido, realizando un total de 10 ensayos. Se preparó una
mezcla de hormigón base siguiendo los lineamientos
establecidos en la norma ACI 211.1 [1], y a partir de ésta se
prepararon varias mezclas con el contenido de ceniza de 15
%, 20 %, 25 % y 30 % en tasa de reemplazo de agregado fino
en peso, además, se elaboró una dosificación extra con 10 %
de ceniza para llevar a cabo la evaluación de la lixiviación de
los metales pesados en el residuo encapsulado. La
composición de las mezclas se presenta en la Tabla 3. La
segunda parte tuvo como objetivo evaluar el proceso de
encapsulamiento mediante la reducción de la concentración
de metales pesados en los lixiviados del residuo encapsulado
respecto del residuo en estado libre.
2.1.2 Ensayos en estado fresco
Una vez elaboradas las mezclas de hormigón base y con la
adición de ceniza como sustituto de arena (agregado fino), se
determinaron las propiedades físicas tales como el
asentamiento, temperatura y contenido de aire, mediante las
normas INEN 1578 [14]; ASTM C 1064 [3] y C 231 [7], en
las cuales se efectuaron tres repeticiones para cada ensayo.
2.1.3 Ensayos en estado endurecido
Se determinaron las propiedades mecánicas de resistencia a la
compresión, módulo de elasticidad, resistencia a la flexión,
resistencia a la tracción indirecta y adherencia, todos ellos
dentro de los ensayos destructivos mediante las normas INEN
1573 [15], INEN 2554 [16], ASTM C 496 [5] y ASTM C 900
[8] respectivamente, mientras que, para los ensayos no
destructivos tales como densidad, y velocidad sónica se
emplearon las normas ASTM C 642 [9] y ASTM D 2845 [4].
En los cuales se efectuaron tres repeticiones para cada ensayo
en probetas cilíndricas de dimensiones 30x15 cm, viguetas de
60x15x15 cm y 40x10x10 cm.
Tabla 3. Dosificación para 1 m3 de hormigón
Componentes
Ceniza (%)
0 15 20 25 30
Peso (kg)
Agua 193.0 193.0 193.0 193.0 193.0
Cemento 309.8 309.8 309.8 309.8 309.8
Agregado fino 723.8 615.3 579.1 543.7 506.7
Agregado
grueso 951.0 951.0 951.0 951.0 951.0
Aire 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
Ceniza 0.0 108.5 144.7 180.1 217.1
2.1.4. Test de lixiviación
Una vez obtenidos los resultados de las propiedades
mecánicas del hormigón convencional y con ceniza, en
estado endurecido y fresco; se llevó a cabo el análisis TCLP
(Toxicity Characteristic Leaching Procedure) de acuerdo con
el método EPA 1311 [11], para determinar la concentración
en los lixiviados de: arsénico, bario, cromo, níquel, plomo,
mercurio, selenio y plata en las dosificaciones de hormigón
con 10 %, 15 % y 20 % con ceniza. Este rango de trabajo se
escogió con base en las comparaciones de las propiedades
mecánicas del hormigón considerando que se obtuvieron
mejores resultados reemplazando agregado fino en un 15 %
en peso por ceniza proveniente del proceso de incineración.
Las muestras con 10 % y 20 % de ceniza se utilizaron para
comparar la lixiviación entre un límite superior e inferior
respecto de la dosificación aceptada.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1Asentamiento, temperatura y contenido de aire del
hormigón en estado fresco
En la Fig. 2 se muestran los diferentes valores de
asentamientos de acuerdo a las mezclas de hormigón
obtenidas. La disminución del asentamiento o trabajabilidad
de las mezclas, conforme mayor sea la presencia de ceniza, se
puede atribuir a las siguientes razones: en primer lugar, la
combinación entre el tamaño de partícula y la forma de los
agregados es más fuerte debido a que existió mayor fricción
entre ellos provocando la disminución de las características
de flujo de la pasta de hormigón. Además, la cantidad de
agua libre para el efecto de lubricación entre los agregados
disminuyó debido a que parte de ésta pudo ser absorbida por
los poros de las partículas de la ceniza.
Por otra parte, los valores de asentamiento no presentaron
variaciones significantes para cada tasa de sustitución con
ceniza y se mantuvieron en el rango de asentamiento 7.6 –
10.2 cm que se utilizó para el diseño de la dosificación de las
mezclas, a excepción del caso en que se realizó el reemplazo
con 30 % de ceniza, el cual fue menor respecto del valor
mínimo utilizado.
88
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Figura 2. Asentamiento de acuerdo al tipo de hormigón
Tabla 4.Temperatura y contenido de aire para las diferentes mezclas de
hormigón
Tipo de hormigón Temperatura (°C) Contenido de aire (%)
Convencional 19.3 1.5
15 % de ceniza 15.3 1.6
20 % de ceniza 17.0 1.7
25 % de ceniza 16.5 1.8
30 % de ceniza 16.9 1.8
Como se puede observar en la Tabla 4, los valores de
temperatura son valores bajos propios de trabajar en un clima
frío; se pudo observar también que existió afectación en el
tiempo de fraguado del hormigón con ceniza respecto al
fraguado observado en el hormigón convencional. De esta
manera se puede verificar que, la temperatura bajo la cual se
lleva a cabo el proceso de elaboración de hormigón es un
factor de influencia en el desarrollo de las propiedades del
mismo mediante la aceleración o retraso del proceso de
endurecimiento.
Por lo tanto, la recomendación técnica normada es muy
válida, y se debe evitar en la elaboración de hormigón
trabajar con temperaturas inferiores a los – 10 °C y superiores
a los 30 °C. El primer caso es para impedir que los procesos
químicos del cemento se detengan, mientras que, el segundo
caso afectaría de manera directa la hidratación de la reacción
química del cemento con el agua.
Por otra parte, en la Tabla 4 se muestran los porcentajes de
contenido de aire presentes en las mezclas de hormigón. Si
bien el hormigón que se elaboró es sin inclusión de aire, para
el diseño y cálculo de la dosificación se tomó como
referencia un contenido de aire de 1.5 % de acuerdo a la
metodología descrita en la norma ACI 211.1.
El valor determinado de contenido de aire del hormigón
convencional elaborado es igual al valor teórico para el
diseño de la dosificación inicial, lo cual demuestra que, a
pesar de diseñar una mezcla de hormigón sin inclusión de
aire, es inevitable que no quede aire atrapado al momento de
mezclar los componentes.
De igual manera, el contenido de aire del hormigón con
ceniza se incrementó de la misma forma que se incrementó el
porcentaje de sustitución de ceniza por el agregado fino, esto
es consecuencia del alto porcentaje de vacíos que tiene la
ceniza que alcanza un 87.61 %, provocando que se atrape
más aire en los poros de ésta.
3.2 Ensayos de resistencia a la compresión
La resistencia a la compresión (f´c) de las mezclas de
hormigón convencional y con cenizas fue determinada a
edades de 3, 7, 14, 28 días de curado, como se presenta en la
Tabla 5, la resistencia de diseño fue de 210 kg/cm2 y en la
Fig. 3 se muestran las curvas de endurecimiento
correspondientes.
Tabla 5. Resultado ensayo de resistencia a la compresión del hormigón
convencional y con ceniza a 3, 7, 14, 28 días de curado
Edad (días) Resistencia a la compresión (f´c = kg/cm2)
HC C15 C20 C25 C30
3 75.28 91.60 81.26 77.77 71.66
7 132.47 138.23 125.64 106.78 100.75
14 190.36 186.08 169.60 119.33 111.52
28 208.37 202.79 182.61 144.36 137.62
HC: hormigón convencional
C30: hormigón con 30 % de ceniza
C25: hormigón con 25 % de ceniza
C20: hormigón con 20 % de ceniza
C15: hormigón con 15 % de ceniza
Los resultados obtenidos confirman que la resistencia a la
compresión del hormigón aumenta con la edad de curado
para todas las mezclas, pero también se cumple que a medida
que aumenta el porcentaje de sustitución de ceniza, la
capacidad resistente del hormigón disminuye respecto del
hormigón convencional para las distintas edades de curado.
Por otra parte, de las mezclas de hormigón con ceniza, las
mezclas con 15 % y 20 % de reemplazo, a diferencia de las
demás, obtuvieron una mayor ganancia de resistencia a los 3
y 7 días comparadas con la del hormigón convencional como
se muestra en la Fig. 3, luego de estas edades la resistencia
del hormigón con 15 % y 20 % de ceniza, a partir del día 14 y
7 respectivamente, disminuye respecto al hormigón
convencional, es decir, sigue aumentando en el tiempo pero
de forma gradual con valores menores al hormigón base.
Se puede evidenciar que al reemplazar el 15 % de ceniza por
agregado fino en el hormigón esta mezcla mantuvo un mejor
comportamiento de resistencia a la compresión, comparada
con las demás mezclas. Además, las sustituciones con 25 % y
30 % de ceniza por agregado fino no son aceptables ni
viables por cuanto generan una diferencia considerable
respecto de la resistencia del hormigón convencional a los 28
días de curado. Esto último está directamente relacionado con
la calidad, cantidad y reactividad de la adición, provocando
un aumento en la demanda de agua, seguido de una
disminución en la reacción puzolánica la cual retarda el
avance en el desarrollo de los productos de hidratación.
Valderrama, Torres y Mejía [29].
89
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Figura 3. Curvas de endurecimiento para los diferentes tipos de hormigón
3.3 Ensayos de módulo de elasticidad
En la Tabla 6 se presentan los resultados de módulo de
elasticidad obtenidos de la relación entre el esfuerzo y la
deformación unitaria para las diferentes formulaciones de
hormigón.
Tabla 6. Módulo de elasticidad para las diferentes mezclas de hormigón
Tipo de hormigón Módulo de Elasticidad (GPa)
Convencional 24.51
15 % de ceniza 33.94
20 % de ceniza 23.34
25 % de ceniza 19.61
30 % de ceniza 18.85
Además, se puede evidenciar cómo el valor del módulo de
elasticidad va disminuyendo a medida que se aumenta va la
cantidad de sustitución de ceniza por agregado fino en la
dosificación de la mezcla, pero con 15 % de ceniza como
reemplazo, el valor del módulo de elasticidad supera el valor
del hormigón convencional, probablemente se debe a que la
ceniza se hidrata rápidamente a tempranas edades y luego se
inhibe, dejando un centro no hidratado que se refleja en la
disminución de la resistencia. Este centro no hidratado, no
aporta a la ganancia de resistencia convirtiéndose en material
de relleno inerte.
La determinación del módulo de elasticidad cuando se trata
de materiales elásticos es considerado constante,
independiente del esfuerzo que se pueda aplicar siguiendo la
Ley Hooke; para el caso particular del hormigón, el módulo
de elasticidad se encuentra afectado por las microfisuras que
aparecen en la interface pasta-árido al aplicar una carga en
éste y que provocan la no linealidad de la curva al
comportarse como un pseudo-sólido, salvo en el tramo inicial
que si existe linealidad.
En la Fig. 4 se observa que, cuando la resistencia es menor se
logra tener líneas más inclinadas hacia el eje de la
deformación, indicando que el hormigón se comporta de
forma más dúctil con la inclusión de ceniza.
Figura 4. Curvas Esfuerzo vs. deformación de los diferentes tipos de hormigones
3.4 Ensayos de resistencia a la flexión
La resistencia a la flexión es una medida de la resistencia a la
tracción del hormigón y se la expresa con el Módulo Rotura
(MR), en la Tabla 7 se presentan los valores de módulo de
rotura del hormigón convencional y con ceniza, a 28 días de
curado.
Para la National Ready Mixed Concrete Associaton-USA, el
módulo de ruptura oscila entre el 10 % y 20 % de la
resistencia a la compresión, teniendo en cuenta su
dependencia en cuanto al tipo, dimensiones y volumen del
agregado grueso utilizado; sin embargo, la mejor correlación
para los materiales específicos es obtenida mediante ensayos
de laboratorio con los materiales dados y el diseño de la
mezcla utilizado. NRCMA [21].
Tabla 7. Módulo de rotura para las diferentes mezclas de hormigón
Tipo de
hormigón
Módulo de
rotura
(kg/cm2)
Disminución
del MR
(%)
Relación
MR/f´c
(%)
Convencional 38.47 - 18.46
15 % de ceniza 33.16 13.8 16.35
20 % de ceniza 27.43 28.69 15.02
25 % de ceniza 25.80 32.93 17.87
30 % de ceniza 24.05 37.48 17.48
Los resultados obtenidos de resistencia a la flexión
normalmente se encuentran muy debajo de los valores de
resistencia a la compresión, pero son superiores a los valores
de resistencia a la tracción. . A su vez todos los valores de
relación entre el módulo de rotura respecto de la resistencia a
la compresión se encuentran en el rango establecido
anteriormente (10 % y 20 %), y son determinantes al
momento de aplicar este tipo de hormigón para elaborar
mampuestos o en su defecto vigas, elementos prefabricados o
postes.
De igual manera, en la Tabla 7 se observa el efecto de la
ceniza en la resistencia a la flexión del hormigón
convencional, la cual disminuye a medida que la tasa de
0
30
60
90
120
150
180
210
240
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 Resis
ten
cia
a la c
om
pre
sió
n f´c
=
kg
/cm
^2
Edad (días)
curva resistencia a la compresión hc
curva resistencia a la compresión 15 % ceniza
curva resistencia a la compresión 20 % ceniza
curva resistencia a la compresión 25 % ceniza
curva resistencia a la compresión 30 % ceniza
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000
21000
24000
27000
30000
33000
36000
0 1000 2000 3000 4000
Esfu
erz
o(
kg
f)
Deformación (um/um)
Curva de deformación hormigón convencional
Curva de deformación hormigón 15 % ceniza
Curva de deformación hormigón 20 % ceniza
Curva de deformación hormigón 25 % ceniza
Curva de deformación hormigón 30 % ceniza
90
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reemplazo de la ceniza se incrementa, llegando a ser de
alrededor del 37 % y del 13.8 % menor con sustitución de
ceniza del 30 % y 15 % respectivamente.
3.5 Ensayos por tracción indirecta
El estudio realizado por Silva expone a la resistencia por
tracción indirecta (f´t) como una de las propiedades
fundamentales del hormigón y que se puede relacionar con la
resistencia a la compresión. Silva et al. De igual manera se
establece que la variación en esta propiedad se encuentra
entre 7 – 13 % del f´c. Gutiérrez [12].
Tabla 8. Resultados de resistencia por tracción indirecta y su comparación
con la resistencia a la compresión
Tipo de hormigón
Resistencia a la
tracción
(kg/cm2)
Relación
f´t/f´c
(%)
Convencional 23.66 11
15 % de ceniza 18.25 9
20 % de ceniza 14.56 8
25 % de ceniza 13.96 10
30 % de ceniza 13.12 10
Los valores de resistencia a la tracción del hormigón
convencional y con ceniza se presentan en la Tabla 8, a 28
días de curado, en ella se observa que a medida que aumenta
la cantidad de sustitución de ceniza por agregado fino, es
menor la resistencia a la tracción indirecta, siguiendo la
misma tendencia de la resistencia a la compresión.
Por otra parte, se ve que la relación entre la resistencia a la
tracción indirecta y la resistencia a la compresión se
encuentran en el rango establecido en bibliografía
especializada, lo cual comprueba el comportamiento del
material y que se realizaron de manera adecuada las pruebas.
Gutiérrez [12].
Figura 5.Proceso de fisuramiento en tracción indirecta
Adicionalmente, se establece un análisis del tipo de fisuras
presente en las probetas después del ensayo de tracción
indirecta. En la Fig. 5 se puede observar que las fisuras se
inician en la parte central de la probeta (a), y se propaga
hacia los apoyos en la dirección de aplicación de la carga (b).
Una vez que la fisura central se ha extendido, aparecen
fisuras secundarias las cuales crecen desde el borde hacia el
interior de la probeta, paralela a la fisura principal (c).
Además, en esta última se puede observar que existe rotura
con formación de cuña, estos tipos de fisuras se consideran
anómalas y se deben, en mucho, a que se incrementa el nivel
de resistencia, la edad del hormigón, el contenido de aire o en
su debido caso a agregados de menor resistencia provocando
propagación a través de éstos.
3.6 Determinación del esfuerzo por adherencia
El objetivo de este ensayo es determinar el esfuerzo de
adherencia resultante de aplicar una carga tensionante al
extremo de una barra embebida, respecto de la superficie de
la probeta de hormigón, para generar su desplazamiento hacia
afuera. La Tabla 9, resume los valores promedio de tres
mediciones para el ensayo de esfuerzo de adherencia del
hormigón convencional y con ceniza a 28 días.
Tabla 9. Resultados de esfuerzo de adherencia
Tipo de Hormigón Esfuerzo de adherencia
(MPa)
Convencional 3.71
15 % de ceniza 3.58
20 % de ceniza 3.21
25 % de ceniza 2.98
30 % de ceniza 2.95
El esfuerzo a la adherencia para este caso se encuentra
asociado al deslizamiento que se produce en una barra de
acero corrugada de diámetro equivalente a 1.3 cm, es decir,
poseer un desplazamiento menor asociado a una mayor
fuerza de adherencia implica una adherencia de mejor
calidad. Otro factor a tener en cuenta en la afectación de los
resultados es la elaboración de la dosificación respecto a la
relación agua-cemento, en los hormigones con 30 % y 25 %
de ceniza existe un mayor consumo de agua debido a la
porosidad de la misma, por lo tanto, la mayor cantidad de
vacíos o aire atrapado podría llevar a la presencia de una
menor superficie de agarre.El trabajo presentado por Ruiz,
establece que la adherencia en el hormigón tiene un límite de
8.3 (MPa) según la norma ACI 318-08 [2], mientras que, para
un hormigón de 210 kg/cm2
de resistencia y barras menores a
32 mm de diámetro el Eurocódigo 2 [25] indica valores de
2.3 (MPa) como mínimo. Si se compara los valores
presentados en la Tabla 9 con los rangos citados, se evidencia
que el hormigón convencional y con ceniza elaborado para
este proyecto cumple con la norma establecida. Ruiz et al
[25].
3.7 Determinación de la velocidad sónica
Los valores obtenidos del ensayo de pulso ultrasónico
presentados en la Tabla 10 determinan que la calidad del
hormigón convencional es buena con una velocidad de 3861
m/s, si se observa los resultados obtenidos de velocidad
sónica para el hormigón con ceniza se evidencia que, la
calidad que se acerca más a la del hormigón convencional es
con 15 % de ceniza en sustitución de agregado fino 3619 m/s,
para porcentajes de 20 % y 25 % de ceniza es un hormigón
aceptable con valores de velocidad sónica comprendidos
entre 3600 m/s – 4500 m/s y para un 30 % de reemplazo de
91
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ceniza es malo 2795 m/s, al ser comparados con la
bibliografía citada. Jiménez, García y Morán [19].
Tabla 10. Calidad del hormigón para rangos de velocidad de pulso
ultrasónico
Tipo de
hormigón
Velocidad sónica
(m/s) Calidad del hormigón
Ensayado Referencia Ensayado Referencia
Convencional 3861 >4500 Bueno Excelente
15 % de
ceniza 3619 3600 - 4500 Bueno Bueno
20 % de
ceniza 3296 3000 - 3600 Aceptable Aceptable
25 % de
ceniza 3066 2100 - 3000 Aceptable Malo
30 % de
ceniza 2795 <2100 Malo Muy malo
Estos resultados se deben fundamentalmente a que el valor de
la velocidad sónica se ve afectada por el contenido de aire; el
tipo, cantidad y tamaño máximo del agregado, además del
contenido de cavidades y la estructura de los poros del
hormigón, demostrando así que al colocar mayor cantidad de
una ceniza con altos porcentajes de vacíos (87.61 %) como lo
es la utilizada en este proyecto existirá afectación en la
porosidad del hormigón, por consiguiente a la propiedad
ensayada y a la calidad del producto final.
3.8 Determinación del peso específico y absorción de agua
Tabla 11. Resultados de peso específico, absorción de agua y volumen de
poros para los diferentes tipos de hormigón
Tipo de
hormigón
Peso específico (kg/m3)
Absor.
de agua
(%)
Volumen
de poros
(%)
En
seco S.S.S
después
de
inmersión
y de
ebullición
Convencional 2295 2308 2273 0.822 1.895
15 % de
ceniza 2272 2301 2248 1.073 2.451
20 % de
ceniza 2268 2281 2241 1.206 2.732
25 % de
ceniza 2241 2274 2209 1.399 3.136
30 % de
ceniza 2216 2266 2184 1.455 3.211
Figura 6.Influencia del porcentaje de ceniza en el peso específico
En la Fig. 6 se observa el desarrollo del peso específico del
hormigón con y sin ceniza evidenciando una tendencia de
disminución a medida que aumenta el porcentaje de
sustitución de ceniza por agregado fino respecto del
hormigón sin ésta, el valor de pesos específico en condición
seca, saturada (S.S.S), después de inmersión y ebullición
disminuyeron de 2295 kg/m3 a 2216 kg/cm
3, 2308 kg/cm
3 a
2266 kg/cm3 y de 2273 kg/cm
3 a 2184 kg/cm
3
respectivamente como se observa en la Tabla 11.
Un factor del cual depende el peso específico del hormigón
es la proporción de áridos que componen la mezcla, ya que
poseen distintas densidades, en el caso particular de este
estudio: agregado fino y grueso (2310 kg/cm3; 2540 kg/m
3).
Para un hormigón con agregados de naturaleza determinada,
el peso específico se ve afectado por la cantidad de poros en
la matriz del cemento, es decir, el aire arrastrado y el aire
atrapado en el hormigón.
Los valores de porcentaje de poros presentados en la Tabla
11 se incrementan a medida que aumenta el porcentaje de
ceniza de 1.895 % a 3.211 %, justificable por la porosidad
que presenta la ceniza (87,16%) provocando de igual manera
que exista también un aumento en el porcentaje de absorción
de agua de 0.822 % a 1.455 %, adicional a los valores
presentados en la Tabla 11, se grafican los incrementos del
porcentaje de volumen de poros y absorción de agua en la
Fig. 7.
Figura 7. Influencia de porcentaje de ceniza en la absorción de agua y
volumen de huecos
El volumen de poros generado pudo ser producto de la
relación agua - cemento en la elaboración del hormigón,
debido a que cuanto mayor es esta relación se obtiene un
hormigón más poroso.
3.9 Resultados del test de lixiviación TCLP de las mezclas de
hormigón con ceniza para el control ambiental
Los datos que se presentan en la Tabla 12 corresponden al
test TCLP de las mezclas de hormigón con 20 %, 15 %
(dosificación óptima), 10 % de ceniza y ceniza en estado
libre. Cuando se habla de dosificación óptima, se usa como
referencia a la propiedad mecánica más importante del
hormigón que es la resistencia a la compresión, para la cual
dicha mezcla desarrolló de manera favorable esta propiedad
acercándose al valor del hormigón convencional. Por lo tanto,
2160
2180
2200
2220
2240
2260
2280
2300
2320
0 10 20 30 40
Den
sid
ad
(kg
/m3)
Cantidad de ceniza (%w/w)
peso específico después de inmersión y ebullición Peso específico s.s.s
Peso específico en seco
0,000
1,000
2,000
3,000
4,000
0 15 20 25 30
Ab
so
rció
n d
e a
gu
a
Vo
lum
en
de
vacío
s
(%)
Cantidad de ceniza (%w/w)
Absorción de agua
volumen de huecos
92
Benavides G.*; Luna G.*; Montenegro L.* _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
la mezcla con 20 % de ceniza representa un valor inferior y la
mezcla con 10 % de ceniza la cual fue adicional y exclusiva
para esta comparación representa un valor superior de
resistencia a la compresión.
Tabla 12. Comparación del extracto lixiviado de la ceniza libre respecto del hormigón con 10 %, 15 % y 20 % de ceniza
Elemento
Contenido de extracto lixiviado (mg/L) Límite
máximo
permisible
(mg/L)2
Ceniza
libre
Hormigón
C10 C15 C20
Arsénico <0.010 <0.005 <0.005 <0.005 5.0
Bario 11.000 0.580 0.280 0.604 100.0
Cadmio <0.020 <0.001 <0.001 <0.001 1.0
Cromo
Total<0.0501 <0.078 0.0051 0.055 5.0
Mercurio 0.007 <0.001 <0.001 <0.001 0.2
Níquel 0.460 0.028 0.063 0.073 5.0
Plata <0.010 <0.001 <0.001 <0.001 5.0
Plomo 0.230 <0.005 <0.005 <0.005 5.0
Selenio <0.010 <0.010 <0.010 <0.010 1.0 1Representa la concentración de cromo hexavalente de la ceniza en estado libre 2Norma Técnica de Desechos Peligrosos y Especiales de la Ordenanza 404 del Distrito
Metropolitano de Quito
Como se observa en la Tabla 12, tanto para la ceniza en
estado libre como el hormigón con porcentaje de 10 %, 15 %
y 20 % de ceniza, los resultados del análisis TCLP
demuestran que, las concentraciones de arsénico, cadmio,
plata y selenio se encuentran por debajo del nivel mínimo de
detección del equipo, es decir, concentraciones menores a
(0.010 y 0.005 mg/L) para el arsénico, (0.020 y 0.001 mg/L)
para el cadmio, (0.010 y 0.001 mg/L) para la plata y (0.010
mg/L) para el selenio.
Para la concentración de cromo se presentan, de igual manera
valores por debajo del nivel mínimo de detección, tanto para
la ceniza en estado libre como para el hormigón con 10 % de
ceniza. Además, la concentración de cromo es superior en las
mezclas de hormigón respecto de la ceniza en estado libre,
debido a que esta última se reportó como cromo hexavalente
y no total. A diferencia del mercurio y plomo, cuyas
concentraciones presentan valores por debajo del nivel
mínimo (0.001 y 0.005 mg/L) respectivamente, en los
hormigones con 10 %, 15 % y 20 % de ceniza.
Por último, para el bario y el níquel sí se pudo evidenciar con
valores puntuales como disminuyeron las concentraciones en
el extracto lixiviado después del proceso de estabilización
con hormigón. En la Fig. 8, se observa como varió el
porcentaje de encapsulación para estos dos metales, con una
particularidad para el hormigón con 10 % de ceniza, del cual
se esperaba un valor mayor que el reflejado en el hormigón
con 15 % de ceniza para el bario.
De lo anterior, si bien no se obtuvo valores puntuales de la
concentración de arsénico, cadmio plata, selenio, plata y
mercurio a diferencia del bario y el níquel, sin embargo, se
puede observar que el efecto de la encapsulación de la mezcla
de hormigón sobre la ceniza es efectivo y, al igual que la
ceniza en estado libre, se cumple con lo establecido en la
Resolución N0. 002-SA-2014: Norma Técnica de desechos
peligrosos correspondiente a la Ordenanza No. 404 del
Distrito Metropolitano de Quito [27].
De acuerdo a lo mencionado en el párrafo anterior, se podría
pensar en verter directamente la ceniza a los rellenos de
seguridad, sin embargo una acumulación de la concentración
de metales y una posible lixiviación hacia el agua subterránea
de éstos, representaría un peligro. Por lo tanto, se hace
necesario realizar un tratamiento previo.
Entre las consideraciones a tomar en cuenta para valorar los
factores que pueden afectar el encapsulamiento y en
consecuencia la lixiviación de los metales pesados se
encuentra: la superficie específica que se forma en la base del
silicato de calcio (C-S-H), ya que permite la absorción y la
adsorción de los iones; y una alcalinidad elevada que ayuda a
la precipitación de los hidróxidos insolubles, teniendo en
cuenta que puede existir una disminución de la alcalinidad
relacionado con la cantidad de cemento utilizado y del
período de encapsulado como se reportó en el estudio de
Rozumová, en la estabilización de cenizas de fondo
generadas en el proceso de incineración de residuos
peligrosos. Rozumová et al [24].
Figura 8.Porcentaje de retención de los metales bario y níquel después del
proceso de encapsulación
Para el caso particular de este proyecto todas las muestras de
hormigón con ceniza se tomaron a 28 días curado, por lo
tanto la precipitación de los metales como hidróxidos
insolubles se debió principalmente al pH medido del extracto
TCLP, el cual fue de 12.0 cuando se trabajó con 10 %, 15 %
y 20 % de ceniza.
4. CONCLUSIONES
La ceniza proveniente del proceso de incineración en bruto
de residuos industriales se cataloga como residuo no
peligroso según la Norma Técnica de Desechos Peligrosos y
Especiales de la Ordenanza 404 del Distrito Metropolitano de
Quito mediante el análisis de toxicidad TCLP realizado a la
ceniza en estado libre, el cual determinó que las
concentraciones de arsénico, bario, cadmio, cromo
hexavalente, mercurio, níquel, plata, plomo y selenio en la
ceniza libre estuvieron por debajo de los límites permisibles.
Sin embargo, existió una concentración de bario en la ceniza
(11.00 mg/L) que comparada con el resto de metales pesados
CL C10 C15 C20
Bario 100% 94,73% 97,45% 94,51%
niquel 100% 93,91% 86,30% 84,13%
75%
80%
85%
90%
95%
100%
Dis
min
uc
ión
de
la
co
nc
en
tració
n d
e b
ari
o y
n
iqu
el %
93
Efecto de la Sustitución de Agregado Fino por Ceniza Proveniente del Proceso de Incineración en Bruto de Residuos Sólidos Industriales en la Elaboración de Hormigón de Baja Resistencia
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
cuyo nivel es inferior al límite máximo permisible, esta
concentración de bario fue superior.
Dentro de la caracterización química de la ceniza, mediante
la norma ASTM C618 se comprobó que ésta es de tipo C,
cumpliendo con un mínimo del 50 % en la suma de los
compuestos: oxido de silicio, óxido de hierro y óxido de
aluminio, los cuales representan un 58.1 % de la composición
total de la misma.
Las propiedades determinadas en la caracterización física de
la ceniza son: 2300 kg/m3; 930 kg/m
3; 87.61 %; 17.16 y
1.52 (mm) correspondientes a la densidad real, densidad
aparente, porcentaje de vacíos, humedad, y granulometría
(d80) respectivamente. Verificando que la ceniza puede
utilizarse como reemplazo del agregado fino, ya que su
tamaño de partícula es menor a éste 2.36 (mm) y cumple con
el tamaño recomendado en la elaboración de hormigón,
menor a 5 (mm).
La mezcla de hormigón con 15 % de ceniza tuvo mejor
comportamiento en las propiedades ensayadas comparada
con el hormigón convencional. Además, se demostró que al
reemplazar una mayor cantidad de agregado fino por ceniza
se afecta considerablemente las propiedades mecánicas del
hormigón principalmente la resistencia a la compresión junto
a la deformación del mismo. Es así que, la resistencia a la
compresión y módulo de elasticidad fueron equivalentes a
202.79 kg/cm2 y 33.94 (GPa) respectivamente cuando se
trabajó con dicha mezcla, comparada con el hormigón
convencional con valores correspondiente a 208.37 kg/cm2 y
24.51 (GPa).
El tratamiento de encapsulación de las cenizas por medio de
la elaboración de mampuestos de hormigón, demostró la
eficiencia del mismo al reducir la concentración de metales
en el lixiviado hasta un 97.45 % para el bario y 93.91 % para
el níquel, para los metales: arsénico, cadmio, cromo,
mercurio, plata, plomo y selenio existieron concentraciones
por debajo del nivel mínimo de detección del equipo. Sin
embargo, se evidencia la acción estabilizante del mecanismo.
El resultado de este proceso busca reducir el impacto
ambiental mediante: la reducción de materias primas
requeridas para la elaboración de mampuestos de hormigón,
elaboración de materiales compuestos a partir de residuos
sólidos, y buscará otras alternativas de disposición final para
este tipo de residuos. Además, si no se realizara el proceso de
encapsulación, implicaría un costo de 0.60 USD/kg de ceniza
tratada por un gestor calificado.
REFERENCIAS
[1] Práctica Estándar para seleccionar el proporcionamiento de concreto de
peso normal, pesado y masivo, ACI Standard 211.1, 2002.
[2] Requisitos de reglamento para concreto estructural, ACI Standard 318-
08, 2008.
[3] Método estándar para la temperatura de mezclas frescas de concreto,
ASTM Standard C 1064, 1999 [4] Método de prueba estándar para la determinación en laboratorio de las
velocidades de pulso y las constantes elásticas ultrasónicas de roca,
ASTM Standard D 2845, 2005.
[5] Método de ensayo normalizado para resistencia a la tracción indirecta
de especímenes cilíndricos de concreto, ASTM Standard C 496, 2011.
[6] Especificación normalizada de ceniza volante de carbón y puzolana
natural en crudo o calcinada para uso de concreto, ASTM Standard C 618, 2012.
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por el método de presión, ASTM Standard C 231, 2014. [8] Método de prueba estándar para la resistencia a la extracción de la
barra corrugada en hormigón endurecido, ASTM Standard C 900,
2014. [9] Método de prueba estándar para la densidad, absorción, y huecos en
hormigón endurecido, ASTM Standard C 642, 2014
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Manizales, 2003, p. 111. [13] Gpower. “Estudio de Impacto y Plan de Manejo Ambiental: Centro de
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[15] Hormigón de cemento hidráulico. Determinación de la resistencia a la
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[16] Hormigón de cemento hidráulico. Determinación de la resistencia a la
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nivel de inquemados”. Revista Ingeniería e Investigación, 31(1), 39-46,
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94
Evaluación del Riesgo en Desprendimiento y Caracterización Geomecánica de los Taludes Rocosos en el Sector Quebrada del Diablo, Estado Mérida
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Revista Politécnica-Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
1. INTRODUCCIÓN
Los riesgos naturales son la principal causa que afectan las
zonas habitadas, es por ello, que se deben conocer la génesis
de estos riesgos debida a que en el momento de proyectar un
desarrollo social, este se adapte a los mismos.
Actualmente el sector quebrada del Diablo, perteneciente al
municipio Alberto Adriani del estado Mérida, se encuentra en
una situación de riesgo geológico, debido a desprendimientos
de rocas, que son provocados por la cinemática de las
discontinuidades predominantes, generándose deslizamientos
debido al diaclasamiento y fallamiento del macizo, por el
cual el agua [17] penetra en esas fisuras originando empuje
de bloques que provocan caída o desprendimientos de los
taludes generados producto de la carretera. Partiendo de la
situación descrita, la presente investigación propone realizar
una evaluación del riesgo potencial de desprendimiento de
rocas y la utilización de las clasificaciones geomecánicas,
para el estudio de la estabilidad de los taludes, ubicados en la
zona objeto de estudio. Esto se lleva a cabo a través de un
análisis geotécnico que consiste en, diagnosticar factores que
originan el desprendimiento y luego determinar las
propiedades geomecánicas de los macizos rocosos, tales
como: ángulo de fricción interna y cohesión, a partir de la
clase o calidad de los macizos rocosos que se obtienen a
través de las clasificaciones geomecánicas de Bieniawski [2],
Romana [14], y Hoek y Brown [16].
Asimismo, se realiza la evaluación del riesgo potencial de
desprendimiento de rocas [9], la cual permite determinar los
riesgos a los que están expuestos los taludes en relación con
la autopista estudiada. Esta metodología integra las
condiciones geológicas con el eje de la vía. Con esto, se
pretende dar el enfoque preventivo en la estabilidad de los
taludes, a fin de evitar deslizamientos o desprendimientos
que obstruyan la vía del sector quebrada del Diablo.
Evaluación del Riesgo en Desprendimiento y Caracterización
Geomecánica de los Taludes Rocosos en el Sector Quebrada del
Diablo, Estado Mérida
Bongiorno F.*; Angulo N.*; Belandria N.*
*Universidad de Los Andes, Facultad de Ingeniería, Grupo de Geología Aplicada Núcleo Pedro Rincón Gutiérrez, La
Hechicera, Mérida -5101 – Venezuela
e-mail:{ frabon; nbelandria}@ula.ve
Resumen: El desprendimiento de rocas constituye un alto riesgo con la posibilidad de afectar las vidas o bienes
materiales, es por ello, se deben prevenir para mitigar las posibles afectaciones. La presente investigación tiene
como objetivo general, evaluar el desprendimiento de rocas y la caracterización geomecánica de taludes rocosos
en el sector quebrada del Diablo en el municipio Alberto Adriáni perteneciente al estado Mérida. La metodología
empleada consiste en las siguientes técnicas: evaluación del riesgo potencial de desprendimiento de rocas [9], las
clasificaciones geomecánicas de Bieniawski, Hoek y Brown y Romana. Dichas técnicas se emplearon en dos
taludes ubicados en la zona objeto de estudio. A través de la implementación de estas metodologías y técnicas se
determinó que las causas del riesgo potencial de desprendimiento de roca en los taludes A y B, se debe a la
influencia principal de la Falla Quebrada del Diablo con movimiento normal, presente entre ambos taludes, siendo
éste un motivo primordial en el desprendimiento.
Palabras claves: Geomecánico, Desprendimiento, Talud, Riesgo, Rocoso.
Abstract: Rockslides represent a high risk with the possibility of affecting lives and material goods; therefore, it
should be avoided for mitigating the possible effects. The general objective of this research is to evaluate the
rockslide and geomechanical characterization of rock slopes in the Quebrada del Diablo sector, Alberto Adriani
Municipality, Merida state. The methodology used consists of the following techniques: potential risk evaluation of
rockslide [9], the geomechanical classification of Bieniawski, Hoek and Brown and Romana. These techniques
were used in two slopes located in the studied area. By implementing these methodologies and techniques it was
determined that the causes of the potential risk of rock detachment on the slopes A and B, is mainly due to the
influence of the Quebrada del Diablo fault with normal movement present between the two slopes, being this a
primary reason for the detachment.
Keywords: Geomechanics, Detachment, Slope, Risk, Rocky
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Bongiorno F.*; Angulo N.*; Belandria N.* _______________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
2. UBICACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO
El área de estudio se localiza en el occidente de Venezuela,
específicamente al sur del flanco andino. La zona en
particular del estudio se muestra en la Fig. 1, se ubica en el
sector quebrada del Diablo, perteneciente al municipio
Alberto Adriáni, situada al borde de la carretera
Panamericana o Local 008, vía que es nervio central de la
zona. Se encuentra entre las siguientes coordenadas: Límite
1: UTM: N 950509, E 212501, Límite 2: UTM: N 950470, E
212501
3. GEOLOGÍA LOCAL Y DESCRIPCIÓN LITOLÓGICA
3.1 Formación Isnotú
Esta formación es de edad Terciario del mioceno. Los
elementos más destacados son capas de conglomerados
macizos, de hasta 12 metros de espesor, que forman 25 % de
la unidad; en la mitad superior los conglomerados son mal
escogidos, mal cementados y más gruesos. La mayor parte de
la unidad consiste de arcillas macizas de color gris verdoso
oscuro que grada localmente a pardo y negro, generalmente
arenosas, y localmente carbonáceas y fosilíferas (restos de
plantas). También se presentan areniscas mal cementadas y
mal escogidas, y limolitas en estratos delgados a macizas,
con mucha intergradación lateral entre los cuatro tipos de
rocas [7].
3.2 Formación Betijoque
Esta formación comprende mioceno tardío-plioceno. La
unidad aflora a lo largo del flanco occidental de Los Andes,
desde los estados Trujillo hasta Táchira.
La unidad superior se caracteriza por capas muy macizas de
conglomerados gruesos, prácticamente ausentes en la
inferior. El rango formacional actual de Betijoque convierte
estas dos subdivisiones en miembros. La formación Betijoque
es de ambiente continental, de origen fluvial con abanicos y
planicies aluviales, corresponde a la facies de la molasa.
Figura 1. Ubicación del área de estudio.
Es importante mencionar que el sector quebrada del Diablo,
zona objeto de estudio de la presente investigación, está
constituido por la formación Betijoque, aspecto éste
fundamental que permitió conocer en detalle la litología y
otros rasgos geológicos al cual pertenecen los taludes
estudiados [7].
3.3 Depósito del cuaternario
La CVET [7], menciona que este periodo está representado
por depósitos aluviales (gravas, arenas y arcillas) que se
presentan de manera discordante sobre la Formación
Betijoque, constituidos en su mayor parte por terrazas y
aluviones recientes.
En cuanto a las terrazas, éstas se encuentran depositadas
particularmente por los cursos de agua de recorrido
longitudinal, más alargadas y estrechas que los abanicos, con
valores de pendiente longitudinales y transversales menores.
CVET [7] señala que algunos sedimentos aluviales de
formaciones consideradas como antiguas, entre ellos la
Formación Betijoque, se asemejan mucho a los sedimentos
de los bancos aluviales del Pleistoceno superior y bien
pudieran corresponder a condiciones morfoclimáticas de
glaciaciones más antiguas durante el Pleistoceno y Plioceno
superior. Estas terrazas se forman en su mayor parte en los
piedemontes de la Cordillera de Los Andes, y se hallan
constituidas por material pobremente estratificado y mal
seleccionado. Presentan una litología caracterizada por la
presencia de gravas, arenas y arcillas.
4. METODOLOGÍA
Para este estudio se ha generado un esquema metodológico
que enmarca diferentes etapas: primeramente se recopila toda
la información documental enfocada en las temáticas de la
investigación, agrupando la información útil de trabajos
previos [4-6], referentes al área de estudio y a los tópicos de
interés. Además, se adquieren fotografías aéreas y mapas
tanto geológicos como topográficos enmarcados en la zona
estudiada e información de la geología de [3, 10, 13]. Con
respecto a la toma de datos, los mismos fueron recolectados
directamente de la zona de estudio y luego se procede a
realizar los ensayos de laboratorio. Para cumplir con los
objetivos propuestos en un principio de la investigación, en
la etapa campo se determinan las causas que originan el
desprendimiento de rocas y la desestabilización de taludes en
el sector quebrada del Diablo.
El análisis fotogeológico se realiza a partir de las fotografías
números 117 y 118, correspondiente a la misión 010493, las
cuales cuentan con una escala 1:60.000. Posteriormente se
caracteriza el macizo a través de las clasificaciones
geomecánicas siguiendo el procedimiento de [8, 11]. La
metodología implementada para determinar el riesgo
potencial de desprendimiento de rocas en el área de estudio
es la propuesta por [1].
4.1 Metodología de Fonseca, Raïmat y Caba
a) Altura del Talud (AT): La tabla 1 muestra la medida de la
altura de los taludes. La altura se mide con la ayuda del
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Evaluación del Riesgo en Desprendimiento y Caracterización Geomecánica de los Taludes Rocosos en el Sector Quebrada del Diablo, Estado Mérida
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
clinómetro de la brújula de Brunton y relaciones
trigonométricas.
b) Efectividad de la cuneta de intercepción (EC): La tabla 2
muestra el puntaje de efectividad de la cuneta. Para ello, se
mide la altura e inclinación de ambos taludes; ancho,
profundidad y forma de la cuneta.
c) Riesgo medio por vehículo (RMV): En esta fase se utiliza
la ecuación 1, basada en la longitud del recorrido IMD
(intensidad media diaria) y el límite establecido para el
tramo. La tabla 3 muestra los resultados del riesgo.
100
24
vehIMD longitud derecorrido km
diaRMV
kmLímitedevelocodad establecido h día
h
(1)
IMD: Intensidad media diaria
RMV: Riesgo medio por vehículo
d) Distancia de visibilidad (DV): En este punto, se mide la
distancia de visibilidad en relación al tramo con dirección
Peaje (El Vigía) – Mérida, a través de la ecuación 2. La tabla
4 muestra los porcentajes de visibilidad.
% 100tan
longitud del tramo mVisibilidad
Dis cia devisibilidad m (2)
Tabla 1. Puntaje para altura del talud
Tabla 2. Puntaje para efectividad de la cuneta
Puntos Efectividad de
la cuneta Observaciones
5 Buena
Todos los bloques que caen son
retenidos por la cuneta.
10 Moderada
Los desprendimientos llegan a la
calzada ocasionalmente.
30 Limitada
Los desprendimientos alcanzan la
calzada con frecuencia.
80 No
Inexistente o totalmente inefectiva,
todas o casi todas las rocas llegan a la calzada
Tabla 3. Puntaje para riesgo medio por vehículo
Puntos Riesgo medio por vehículo (%)
5 25
10 50
30 75
80 100
Tabla 4. Puntaje para % visibilidad
Puntos %Visibilidad Observaciones
5 100 Adecuada
10 80 Moderna
30 60 Limitada
80 40 Muy limitada
e) Ancho de la calzada (AC): Para medir el ancho de la
calzada se realiza una medida perpendicular a la calzada de la
zona de estudio. La tabla 5 muestra el puntaje para el ancho
de la calzada.
f) Características geológicas (CG): para esta etapa se
observan directamente las características geológicas del área
de estudio. Los dos casos propuestos por esta metodología: 1)
las condiciones estructurales, y 2) la diferencia por los grados
de erosión, observados en la tabla 6.
g) Tamaño de bloque o volumen de material desprendido
(TB): En esta fase se mide el tamaño del bloque. Los puntajes
se observan en la tabla 7.
h) Condiciones climáticas y presencia de agua (CC): En esta
parte del procedimiento se estudia la presencia de agua en
algunas partes de los macizos rocosos objetos de análisis. En
la tabla 8 se observan los puntajes asignados.
i) Historia de los desprendimientos (HD): Este punto requiere
una recopilación de información de los desprendimientos de
las rocas a lo largo del tramo. La tabla 9 muestra las
observaciones a considerar.
j) Análisis del riesgo de desprendimiento en carreteras: Para
calcular el análisis del riesgo de desprendimiento de
carretera, se emplea la ecuación 3, que incluye todos los
parámetros evaluados anteriormente y se evalúa el índice en
la tabla 10.
2 2 3 2 2%
15
AT EC RV DV AC CG TB CC HDÍndice
(3)
Tabla 5. Puntaje para ancho de la calzada
Puntos Ancho calzada (m)
5 14
10 11
30 9
80 6
Tabla 6. Puntaje para la diferencia de los grados de erosión
Puntos Diferencia de los
grados de erosión Observaciones
5 Pequeña diferencia
Las muestras de erosión se
desarrollan a lo largo de
muchos años. Se les da esta categoría a taludes en
equilibrio ambiental.
10 Diferencia moderada
Las muestras de erosión se desarrollan a lo largo de pocos
años.
30 Amplia diferencia
Las muestras de erosión se
desarrollan anualmente.
80 Caso extremo
Las muestras de erosión se
desarrollan rápidamente
(meses).
Tabla 7. Puntaje para tamaño de bloque
Puntos Altura de talud (m)
5 7.5
10 15
30 25
80 30
Puntos Tamaño del bloque (m)
5 0.3
10 0.6
30 1.0
80 1.2
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Bongiorno F.*; Angulo N.*; Belandria N.*
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
Tabla 8. Puntaje para influencia del clima y agua en el talud
Tabla 9. Puntaje para historia de los desprendimientos
Tabla 10. Análisis del riesgo de desprendimiento en carreteras
Nivel Índice (%) Peligrosidad Prioridad de
actuación
1 <35 Poco peligrosa Muy baja
2 35 – 60 Peligrosa Alta
3 >60 Muy peligrosa Acción urgente
Ambos taludes están constituidos por dos familias de
discontinuidades, las cuales se estudia en detalle por técnicas
de proyecciones estereográficas [15].
4.2 Clasificación de Bieniawski (RMR)
a) Resistencia de la matriz rocosa: se determina la resistencia
de la matriz rocosa empleando los índices de campo, los
cuales sirven como primera aproximación del valor de la
resistencia [8], la cual permite establecer una estimación
cuantitativa del rango de resistencia en roca en función del
número de golpes con la piqueta del geólogo.
b) Cálculo del RQD: En este parámetro determina el grado de
fracturación del macizo rocoso. Para esto es necesario,
primero, tomar el número de familias de diaclasas de los
taludes y separación de las mismas. Para la obtención del
RQD, se utiliza la metodología explicada en [1]
c) Separación de las discontinuidades: A partir de las
mediciones realizadas en campo, se calcula la separación de
la discontinuidad por familia de diaclasas por una longitud
determinada.
d) Condiciones de las discontinuidades: en este punto se
expresa cada una de las características de las familias de
diaclasas de cada Talud.
Abertura de las discontinuidades: medidas de abertura
para cada familia de discontinuidades tomando los
valores medios más representativos de cada una de
ellas.
Continuidad o persistencia: se procede a medir la
continuidad de las discontinuidades de un área
seleccionada para cada talud.
Rugosidad de las discontinuidades: mediante contacto
directo sobre los planos de discontinuidad realizada en
la etapa de campo, se mide el tipo de rugosidad presente
en ambos taludes.
Relleno de las discontinuidades: se observa la cantidad
de relleno presente entre las discontinuidades de cada
talud estudiado.
Alteración de discontinuidades: tiene por finalidad a
través de la observación directa en campo, precisar el
grado de meteorización encontrando en cada uno de los
taludes, específicamente en las discontinuidades.
e) Presencia de agua: se estima de manera apreciativa, las
posibles filtraciones de agua que se encuentra en cada familia
de discontinuidades para cada talud.
f) Corrección por orientación de las discontinuidades:
partiendo de las direcciones de rumbos y buzamientos hechas
en cada talud, y con la ayuda de las proyecciones
estereográficas, se obtienen las direcciones de buzamientos
medios por cada familia.
Cabe destacar que para la obtención del RMR básico es
necesario sumar los cinco primeros parámetros y
posteriormente se le resta el parámetro de la corrección por
orientación de las discontinuidades [11, 2].
4.3 Clasificación de Hoek y Brown (GSI)
La metodología de Hoek y Brown (GSI) modificada por
[16], permite la evaluación del macizo rocoso,
considerándose para esto, tres parámetros de la metodología
de Bieniawski (rugosidad, meteorización y relleno) y el
parámetro Jv (número de discontinuidades por metro cúbico)
y representa el valor de la estructura.
4.4 Clasificación de Romana (SMR)
Por medio de esta metodología propuesta por [14] se evalúa
la estabilidad de los taludes, considerando en primer lugar el
tipo de rotura, el cual puede ser plana, cuña o vuelo, teniendo
Puntos Influencia del clima y agua en el talud
5 Precipitación de baja a moderada, sin períodos de
congelación, sin presencia de agua.
10 Precipitación moderada o cortos períodos de congelación
o presencia de agua intermitente en el talud.
30 Precipitación alta o largos períodos de congelación o
presencia de agua de forma continua en el talud.
80 Precipitación alta o largos períodos de congelación o
presencia de agua de forma continua en el talud y largos
periodos de congelación.
Puntos Desprendimientos Observaciones
5 Pocos
Han ocurrido varias veces
según la información histórica, pero no es un problema
persistente. Una o dos veces al
año durante tormentas severas. Se asigna si no se tienen datos.
10 Ocasionales
Ocurren con regularidad, varias
veces por año y durante la mayor parte de las tormentas.
30 Muchos
Ocurren con regularidad
durante una cierta estación,
como invierno o la época de lluvias heladas. Esta categoría
se da cuando en el resto del año no hay afectaciones
significativas, se puede emplear
para emplazamientos donde han ocurrido desprendimientos
importantes.
80 Constante
Desprendimientos muy
frecuentes en todo momento del año. Se emplea esta
categoría en sitios con eventos
importantes comunes.
98
Evaluación del Riesgo en Desprendimiento y Caracterización Geomecánica de los Taludes Rocosos en el Sector Quebrada del Diablo, Estado Mérida
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
en cuenta como base la clasificación de del RMR básico de
Bieniawski a la cual se le resta la corrección de cuatro
factores de ajuste que depende del paralelismo de la
discontinuidad y del talud, del buzamiento de la
discontinuidad, de la relación entre el buzamiento de la
discontinuidad y del talud y por último un factor de ajuste
que depende del método de excavación , de esta manera se
evalúa empíricamente la estabilidad de los taludes.
5. ANÁLISIS Y RESULTADOS
A partir de la inspección visual de campo se pueden observar
las siguientes características:
Los taludes A y B están litológicamente constituidos
por areniscas de grano medio pertenecientes a la
Formación Betijoque.
En el medio de los dos taludes se encuentra un conjunto
de materiales rocosos, de manera desordenada, de
tamaño hetereométrico y difícil acceso.
De igual modo, se puede observar una pequeña
hendidura que contiene agua intermitente entre ambos
taludes estudiados.
En el análisis fotogeológico se observa la existencia de
facetas triangulares, siendo éstas un parámetro
geomorfológico esencial para evidenciar la existencia de una
falla geológica.
5.1 Análisis fotogeológico
A partir de las fotografías aéreas correspondientes a la zona
de estudio se obtiene lo siguiente:
En cuanto a los rasgos antrópicos en la zona de estudio, se
observan carreteras ubicadas al margen de una zona
montañosa, Mesa Bolívar – La Palmita – El Vigía, y paralela
al colector principal del sistema de drenaje río Chama. Con
respecto al relieve, se observa de manera general, que es
marcadamente montañoso, por lo cual presenta pendientes
inclinadas y una topografía irregular, siendo esto típico del
sistema montañoso de la cordillera de Los Andes. Es
importante señalar que este relieve en la zona de estudio, se
caracteriza por ser medianamente suave. Por otra parte, los
cambios en el relieve se observan a través de la delimitación
de los posibles contactos formacionales, teniéndose un
relieve de carácter alto a medianamente suave. En relación a
las geoformas, se detalla una corona de deslizamiento muy
cerca de una falla geológica, producto de procesos de
denudación, aunado a posibles desplazamientos del material
rocoso presente en el área de estudio.
Abarcando la tectónica del área, se puede decir que existen
bloques levantados y corridos, se asienta en el modelo
general de fallamiento de Los Andes, que obedece a dos (2)
sistemas preferenciales: uno de fallas paralelas a la cordillera
de carácter dominante y rumbo noreste-suroeste (NE-SO) y
otro sistema de fallas oblicuas a las anteriores con un ángulo
cercano a los 30° que se observan en las fotografías aéreas.
Seguidamente se traza una falla, la cual atraviesa el macizo
rocoso objeto de estudio, debido a que se observan facetas
triangulares y drenajes, siendo esto característica esencial
para determinar la presencia de esta falla, la cual es producto
de la tectónica del área de estudio, ejerciendo un control
sobre este accidente geológico.
La topografía y drenaje se reflejan en la Fig. 2, marcando dos
patrones de drenajes, el rectangular no tan marcado, y
patrones paralelos en la zona de alta pendiente.
Figura 2. Fotografía aérea editada [15]
Con respecto al patrón rectangular se determina un
paralelismo de sus afluentes principales con ángulos rectos y
conexiones cortas entre los afluentes. Es por ello, que esta
zona específica cumple con un esquema más regular, no hay
paralelismo perfecto, no es necesaria la presencia de
tributarios menores, y si existen, generalmente son cortos, se
presenta una uniformidad entre los ángulos generados
(90°). De igual manera, el patrón de drenaje paralelo, se
identifica por la presencia de canales paralelos, los cuales
tienen una dirección definida por la pendiente regional del
terreno. Se debe tener presente que cuando mayor sea la
pendiente en una dirección, mayor y más paralelos serán los
canales.
En el caso de la litología, el área está constituida por las
Formaciones Isnotú, Betijoque, y depósitos del cuaternario,
99
Bongiorno F.*; Angulo N.*; Belandria N.*
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
las cuales son delimitadas a través de un contacto
formacional. Este fue corroborado con la ayuda del mapa
geológico.
En cuanto a las tonalidades y texturas, se observan que van
desde un color gris claro a un gris medianamente oscuro, los
cuales representan cambios en la litología por estar
directamente asociados al material rocoso presente.
5.2 Resultados de la clasificación de Fonseca, Raïmat y
Caba [9]
En la tabla 11 se muestran los valores obtenidos de cada
parámetro de esta metodología. Cumpliendo con uno de los
objetivos propuesto en un principio de la investigación, el
cual es evaluar el riesgo potencial de desprendimiento de
roca, se puede puntualizar lo siguiente: se determina que el
riesgo potencial de desprendimiento de roca en carretera,
específicamente del Talud A es “Poco Peligrosa” mientras en
el Talud B, dicho riesgo se categoriza como “Peligrosa”.
Asimismo, es importante destacar que estos índices, permiten
valorar la prioridad de actuación, las cuales son “Muy baja”
para el Talud A; y “Alta” para el Talud B.
5.3 Resultados de la clasificación de Bieniawski (RMR)
En la tabla 12, se muestran los resultados obtenidos de los
parámetros correspondientes a la clasificación del macizo
rocoso. Para el talud A mostrado en la Fig. 3, las
discontinuidades se encuentran en dirección perpendicular al
eje de la obra. Además, cabe agregar que, como están en
excavación con buzamiento y tienen un ángulo de
buzamiento medio de 66º y 36º para cada familia
respectivamente, el parámetro de “orientación de
discontinuidades” se encuentra como “favorable”.
En el talud B mostrado en la Fig. 4, para determinar la
orientación de las discontinuidades se siguen los mismos
pasos que en el talud A. Una vez obtenidos en campo las
direcciones de rumbo y buzamiento de las discontinuidades,
estas se llevan a las proyecciones estereográficas,
recolectando direcciones de rumbo y buzamiento medios.
Una de las discontinuidades se encuentra perpendicular al eje
de la obra y la otra paralela con buzamiento de 36º y 30º el
parámetro de “orientación de discontinuidades” se encuentra
como “medio”.
Figura 3. Afloramiento del talud A
Tabla 11. Parámetros según (Fonseca, Raïmat y Caba, 2010).
Parámetro Talud A Talud B
altura del talud 10 5
efectividad de la cuneta de
intercepción 30 30
riesgo medio por vehículo 80 80
distancia de visibilidad 80 80
ancho de la calzada 10 10
características geológicas (diferencia
de los grados de erosión) 30 80
tamaño del bloque o volumen del
material desprendido 30 80
condiciones climáticas y presencia de
agua 10 10
historia de los desprendimientos 30 30
análisis del riesgo de desprendimiento
en carreteras
poco
peligroso peligroso
prioridad de actuación muy baja alta
Tabla 12. Valores de los parámetros según Bieniawski.
Parámetros Talud A Talud B
Resistencia de la matriz rocosa 7 4
RQD 17 17
Separación 8 8
Abertura 5 6
Continuidad 4 4
Rugosidad 5 5
Relleno 6 6
Alteración 3 1
Presencia de agua 10 10
Corrección por orientación -5 -25
Tabla 13. Resultados del índice RMR.
Talud RMR Calidad
A 60 Media a buena
B 36 Media
Figura 4. Afloramiento del talud B
Para el talud A, la tabla 13 muestra una calidad de “media a
buena”, ya que el valor es de 60 para el índice RMR,
otorgandosele una clase tipo III, y a su vez, esta calidad se
ubica con una cohesión entre 0.2 y 0.3 MPa y un ángulo de
fricción interna categorizado entre 25º y 35º.
En cuanto al talud B, la tabla 13 muestra que el índice de
RMR es de 36, evaluándose según el procedimiento de
Bieniawski (1989), con una calidad “media”, una cohesión de
0.2 y 0.3 MPa y un ángulo de fricción interna ubicado entre
25º - 35º.
Relacionando las características vistas en campo de ambos
taludes, se puede decir que el talud A tiene mayor resistencia
100
Evaluación del Riesgo en Desprendimiento y Caracterización Geomecánica de los Taludes Rocosos en el Sector Quebrada del Diablo, Estado Mérida
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Revista Politécnica - Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
con respecto al talud B, debido a que este último tiene un
mayor grado de meteorización, lo que aumenta su porosidad,
permeabilidad y deformabilidad del material rocoso, al
tiempo que disminuye su resistencia [11]. De lo citado se
desprende que la meteorización al ser un proceso de
desintegración y descomposición de la roca en la superficie
influye directamente en la resistencia del macizo rocoso.
Es por esto, como señala Salcedo [15] que las rocas van
perdiendo sus características originales hasta un punto donde
su comportamiento geomecánico se hace independiente de la
orientación de las discontinuidades.
Tabla 14. Datos por calcular el GSI.
Talud Rr Rw Rf Jv
A 6 3 6 12
B 6 1 6 8
Tabla 15. Resultados obtenidos de SCR, SR y GSI.
Talud Src Sr Gsi
A 15 36.3 54
B 13 43.4 52
5.4 Resultados de la clasificación de Hoek y Brown (GSI)
En las tablas 14 y 15 se muestran los resultados obtenidos
con esta clasificación. La calidad para los dos taludes
estudiados se encuentra en el rango de 40 a 60, siendole
asignado una calidad media.
5.5 Resultados de la clasificación de Romana (SMR)
En el caso del talud A para ambas familias, se puede decir
que la clasificación geomecánica de taludes, SMR presenta
una estabilidad “buena” ya que se encontraron entre los
parámetros 61 y 80.
En talud B La clasificación geomecánica de taludes SMR
presenta una descripción de “mala” para la familia 1; y
“normal” para la familia 2, ya que, en el primer caso se
valora con un puntaje de 37; mientras que la familia 2 con un
puntaje de 55,75.
6. CONCLUSIONES
La peligrosidad de los taludes, específicamente en el talud B,
lo constituye su cercanía a una curva en la autopista, lo que
puede ocasionar dificultad a los conductores en cuanto a la
visibilidad al momento de reaccionar frente a un
desprendimiento de roca u otro riesgo geológico. A través de
la interpretación fotogeológica realizada en la etapa de
campo, se evidenció la alta actividad tectónica reciente en el
área de estudio, esto se constató por la existencia de la Falla
Quebrada del Diablo con movimiento normal que atraviesa el
macizo rocoso, generando la inestabilidad en este macizo.
Los taludes en estudio se encuentran interceptados por un
drenaje intermitente que está controlado por la Falla
Quebrada del Diablo. Se puede considerar que el
desprendimiento de bloque de arenisca sobre la calzada de la
vía, desde altura superior a los 8 m. con pendientes
topográficas, entre 45º y 70º, constituyen un riesgo latente
para los transeúntes, pudiendo ocasionar pérdidas humanas.
En estos taludes se precisó que el riesgo potencial de
desprendimiento de roca de acuerdo con la metodología de
[1] es para el del talud A, poco peligroso y para el talud B,
peligroso, esto se debe a que ambos taludes se encuentran
cercanos entre sí, permitiendo categorizarlos como peligroso.
En ambos taludes, de acuerdo a la clasificación RMR, se
observó que la meteorización oscila de alto a muy alto grado,
esto debido a las aguas de escorrentía que se encuentran en
ellos, originando cambios químicos y físicos en la superficie
de los mismos. Siendo este último el que origina el
volcamiento de la roca. Se comprobó que el agua se filtra en
las juntas de los taludes, ocasionándoles pérdida de
resistencia y del estado tensional, lo que aunado a la falta de
apoyo del material suprayacente, puede provocar la
inestabilidad, produciendo un movimiento por volcamiento,
siendo este otra causal del desprendimiento de roca en los
taludes A y B.
De acuerdo a las clasificaciones geomecánicas (RMR, GSI y
SMR), aplicadas a los taludes A y B, se determina en el caso
del talud A y el talud B. los índices RMR son evaluados con
una calidad media; mientras que para el GSI, ambos Taludes,
presentan buena calidad de superficie (SR); y en relación al
índice SMR, para el talud A se califica como buena, y para el
talud B, normal. Es por esta razón que se pueden categorizar
estos taludes de forma general como “regular”.
Se determinó que la acción de la gravedad también ha sido
una causal en el desprendimiento de roca de los taludes en
estudio, especialmente en el talud A, ya que, a través de la
aplicación de la proyecciones estereográficas, se constató que
no se cumplen todas las condiciones cinemáticas para que
exista rotura por vuelco, sin embargo, una de las condiciones
para que éste se produzca, es la acción de la gravedad y el
empuje de agua que rellena las discontinuidades, aunado a la
tectónica reciente, son parámetros importantes para que se
genere el desprendimiento de roca. Mientras que el talud B
presenta rotura de tipo plana que fue constatado mediante el
empleo de las proyecciones.
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los macizos rocosos según: Bieniawski, Barton, Hoek y Brown,
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[12]. INGEOMIN, “Estudio de susceptibilidad y amenazas geológicas
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de Venezuela”.
[13]. E. La Marca, “Origen y evolución geológica de la cordillera de
Mérida, Andes de Venezuela”, Cuadernos de la escuela de
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1 – 110, pp. 5 – 92, 1997.
[14]. M. Romana, “Nuevos factores de ajuste para la aplicación de la
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“Análisis de la Socavación en Cauces Naturales”, Revista
Politecnica, 35 (3), pp. 83-93, 2015.
102
Preparación de Artículos para la Revista Politécnica
_________________________________________________________________________________________________________________________
Revista Politécnica – Septiembre 2015, Vol. 36, No. 3
11. INTRODUCCION
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desplegable de estilo está a la izquierda de la barra de
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"Texto"). Resalte una sección que usted quiera designar con
un cierto estilo, y luego seleccione el nombre apropiado en el
menú de estilo. El estilo ajustará los tipos de letra y espaciado
de línea. No cambie los tamaños de fuente o espaciado de
renglones para ajustar el texto a un número limitado de
páginas. Utilice cursiva o negrita para dar énfasis a un texto,
no subrayado.
Artículo recibido el XX, 2013; revisado XX julio de 2013. (Escriba la fecha en que
presentó su documento para su revisión).
Esta sección puede ser utilizada para colocar información adicional de los autores. Esta
Figura 1. Distribución Weibull de 60 Hz voltajes de ruptura11 cables α = 45.9 kV picoβ = 5.08.Intervalo de Confidencia 95%
Las figuras y tablas deben estar en la parte superior e inferior
de las columnas. Evite colocarlas en medio de las columnas.
Las figuras y tablas grandes pueden extenderse a lo largo de
ambas columnas. Las leyendas de las figuras deben estar
centradas debajo de las figuras, los títulos de las tablas deben
estar centrados arriba. Evite colocar figuras y tablas antes de
su primera mención en el texto. Use la abreviación "Fig. 1",
incluso al principio de una frase.
Breakdown Voltage (kV)
100 101 102
0.2
0.1
2
20
70
90
98
99.9
50
Wei
bull
Bre
akdo
wn
Pro
babi
lity
(%)
30
10
5
1
0.5
Preparación de Artículos para la Revista Politécnica Utilizar
Mayúsculas en Cada Palabra en el Caso del Título
Apellido A.*; Apellido B.**; Apellido C.**;Apellido D.***; Apellido E.***
*Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Mecatrónica, Quito, Ecuador
e-mail: [email protected]
** Escuela Politécnica del Litoral, Facultad de Ingeniería Industrial, Guayaquil, Ecuador
e-mail: {autorB; authorC}@espol.edu.ec
*** Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Exactas, Cuenca, Ecuador
e-mail: [email protected]; [email protected]
Resumen: Las siguientes instrucciones establecen las pautas para la preparación de artículos para la Revista
Politécnica. Los artículos pueden ser escritos en español o en inglés, pero tendrán un resumen en ambos idiomas.
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Preparación de Artículos para la Revista Politécnica
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Revista Politécnica – Septiembre 2015, Vol. 36, No. 1
1.2 Acerca de los Autores
Como sugerencia, es importante tomar en cuenta que, el
primer autor es el investigador que hizo la mayor parte
del trabajo, y probablemente va a colocar esto en su tesis y
destacarlo en su CV, mientras que el último autor suele ser el
profesor quien es el líder intelectual y, a menudo edita y
presenta el borrador final del documento.
2. PROCEDIMIENTO PARA LA PRESENTACIÓN DEL
ARTÍCULO
2.1Etapa de Revisión
Por favor, utilice este documento como una "plantilla" para
preparar el manuscrito. Para las pautas de presentación, siga
las instrucciones emitidas por el sistema del sitio web de la
revista de la EPN.
La presentación inicial debe tomar en cuenta todas las
indicaciones que se presentan en esta plantilla, para de esta
manera tener una buena estimación de la longitud del artículo
a publicarse. Además, de esta manera el esfuerzo necesario
para la presentación final del manuscrito será mínimo.
2.2 Etapa Final
Los autores deben trabajar activamente con los márgenes
solicitados. Los documentos de la revista serán marcados con
los datos del registro de la revista y paginados para su
inclusión en la edición final. Si la sangría de los márgenes en
su manuscrito no es correcta, se le pedirá que lo vuelva a
presentar y esto, podría retrasar la preparación final durante
el proceso de edición.
3. CONCLUSIONES
Una sección de conclusiones es requerida. Aunque una
conclusión puede repasar los puntos principales del
documento, no repita lo escrito en el resumen como
conclusión. Una conclusión podría extender la importancia
del trabajo o podría hacer pensar en aplicaciones y
extensiones futuras.
REFERENCIAS
La lista de referencias deben estar ordenadas
alfabéticamente de acuerdo con el primer autor de la lista de
referencia, las siguiente líneas deben tener sangría. No debe
existir números de referencia de la publicación por los
mismos autores, deben estar listadas en orden del año de la
publicación si hay más de un artículo del mismo autor(es) y
con la misma fecha se organiza a,b, etc., por ejemplo Morris
et al. (1990a, b). Por favor nótese que todas las referencias
listadas aquí deben estar directamente citadas en el cuerpo
del texto usando [].
Formato básico para libros:
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1993, pp. 123–135.
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[13] N. Kawasaki, ―Parametric study of thermal and chemical
nonequilibrium nozzle flow,‖ M.S. thesis, Dept. Electron. Eng., Osaka Univ., Osaka, Japan, 1993.
[14] J. O. Williams, ―Narrow-band analyzer,‖ Ph.D. dissertation, Dept. Elect. Eng., Harvard Univ., Cambridge, MA, 1993.
Formato básico para los tipos más comunes de referencias
no publicadas:
Preparación de Artículos para la Revista Politécnica
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Revista Politécnica – Septiembre 2015, Vol. 36, No. 1
[15] A. Brahms, ―Representation error for real numbers in binary computer
arithmetic,‖ IEEE Computer Group Repository, Paper R-67-85.
[16] A. Harrison, private communication, May 1995.
[17] B. Smith, ―An approach to graphs of linear forms,‖ unpublished.
Formato básico de las normas:
[18] IEEE Criteria for Class IE Electric Systems, IEEE Standard 308, 1969.
[19] Letter Symbols for Quantities, ANSI Standard Y10.5-1968.
Apéndice A. PRIMER APÉNDICE
Apéndice B. SEGUNDO APÉNDICE
INFORMACIÓN ADICIONAL
Fecha Límite de Recepción de Artículos: Diciembre 2015
Fecha Límite de Aceptación de Originales: Enero 2016
Sistema de Arbitraje:
Todos los artículos cumple con una revisión por pares, la cual consiste en:
Selección de dos o tres árbitros, actualmente la Revista Politécnica cuenta con revisores internos, externos e
internacionales, quienes envían al editor su evaluación del artículo y sus sugerencias acerca de cómo mejorarlo.
El editor reúne los comentarios y los envía al autor
Con base en los comentarios de los árbitros, el editor decide si se publica el manuscrito.
Cuando un artículo recibe al mismo tiempo evaluaciones tanto muy positivas como muy negativas, para romper un
empate, el editor puede solicitar evaluaciones adicionales, obviamente a otros árbitros.
Otra manera de desempate consiste en que los editores soliciten a los autores que respondan a las críticas de los
árbitros, a fin de refutar una mala evaluación. En esos casos el editor generalmente solicita al árbitro que comente la
respuesta del autor.
Toda la evaluación se realiza en un proceso ciego, es decir los autores no conocen quienes son sus revisores, ni los
revisores conocen los autores del artículo.
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