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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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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

Andrés Rosales, Ph.D.

Editor

Oscar Camacho, Ph.D.

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


Investigador

Escuela Politécnica Nacional

José Luis Paz, Ph.D.

Prometeo

Escuela Politécnica Nacional, Ecuador

Ernesto Jiménez, Ph.D.

Prometeo


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.




Danilo Chávez, Ph.D.


Oscar Camacho, Ph.D.

Universidad de Los Andes, Venezuela

Vicenzo Vespri, Ph.D.

Università degli studi di Firenze, Italia

Carlos Ávila, Ph.D.


Luis Rodríguez, Ph.D.

Prometeo


Rafael Uribe, Ph.D.

Prometeo


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

_________________________________________________________________________________________________________________________

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.

1


_______________________________________________________________________________________________________________________________


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

2



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.

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

4



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


_______________________________________________________________________________________________________________________________


% 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

[1] Standard test method for bulk specific gravity and density of compacts

bituminous mixtures using coated samples, ASTM D1188-07, 2007.

[2] Standard test method for theoretical maximum specific gravity and

density of bituminous paving mixtures, ASTM D2041/D2041M-11,

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

bituminosas en caliente”, Transportationresearchboard, ID 01189667,

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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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http://www.dx.doi.org/10.1155/2013/415246

[8] D. Lo Presti, G. Airey, P. Portal, “Manufacturing terminal and field

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

reciclado. Requisitos e inspección, NTE INEN 2680:2013, 2013.

[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

waste and resources action programme, Paper R-9.

[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

http://www.dx.doi.org/10.1155/2013/415246

Síntesis de Nanopartículas de Dióxido de Titanio Obtenidas por el Método de Sol-Gel _______________________________________________________________________________________________________________________________


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


_______________________________________________________________________________________________________________________________


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



procesos de limpieza del ambiente por catálisis, entre otros

[10].


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.


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


_______________________________________________________________________________________________________________________________


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



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


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]


11


_______________________________________________________________________________________________________________________________


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.

REFERENCIAS

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Applications, and Perspectives, Boca Ratón: CRC Press, 2011, pp. 1-8.

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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


12



[14] S. Sivakumar, P. Pillai, P. Mukundan, y K. Warrier. “Sol-gel synthesis

of nanosized anatase from titanyl sulfate”. Materials Letters, vol. 57,

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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 _________________________________________________________________________________________________________________________


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


**Escuela Politécnica Nacional, Facultad Ciencias, Quito, Ecuador


*** Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Mecánica, Quito, Ecuador


**** 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. **** _______________________________________________________________________________________________________________________________


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



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



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

17



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.

18



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



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

ixiv

iad

o A

rcil

la

Agu

a

Desm

inerali

za

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



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

21



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


Superficie


Superficie


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

22

Grimán S.*; Lascano L.**; Rosas N.***; Uribe R. **** ________________________________________________________________________________________________________________________


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

eflorescencia en los productos manufacturados de concreto y

pautas recomendadas para el control de eflorescencia” Recuperado

el 11 de septiembre del 2013. Disponible en: www.basf-cc.com.mx

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y Velos en Ladrillos de la Ladrillera San Cristóbal”. Escuela de

Procesos e Ingeniería, Facultad Nacional de Minas. Universidad

Nacional de Colombia. Medellín. pp. 31.

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y ladrillos. Capítulo I “La Arcilla”. Barcelona-España.

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eflorescencias en tejas cerámicas”. Boletín de la sociedad española

de cerámica y vidrio. Vol. 49,3 189-196

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en función del caudal de aire de secado 4º Congreso de patología y

rehabilitación de edificios”. Patología. 3. Patología de los

materiales y elementos constructivos. Madrid. pp 314.

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Construcción, Vol. 50, nº260. pp. 63-69

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de ladrillo a la vista tipo catalán en la ciudad de Medellín”

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[15]. Velasco Vélez, J. (2005). “Patología de las piezas cerámicas para

la construcción”. Cúcuta, Aitemin.

23

Obtención de Carbón Activado a partir de Residuos Lignocelulósicos de Canelo, Laurel y Eucalipto ______________________________________________________________________________________________________________________


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


***Escuela Politécnica Nacional, Departamento de Materiales, Laboratorio de Nuevos Materiales, Quito, Ecuador


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

24


Asimbaya C.*; Rosas N.*; Endara D.**; Guerrero V.H.*** _______________________________________________________________________________________________________________________________


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.


2.1 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

25



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.


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.

26



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

27



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

28



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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[21] V. Vinodhini, N. Das, “Mechanism of Cr (VI) Biosorption by Neem

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 _________________________________________________________________________________________________________________________


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


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.

30

Loza Matovelle, D.*; Dabirian, R.*, ** _______________________________________________________________________________________________________________________________


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.


2.1 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

31

Introducción a la Tecnología Disruptiva y su Implementación en Equipos Científicos _________________________________________________________________________________________________________________________


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

Loza Matovelle, D.*; Dabirian, R.*, ** _______________________________________________________________________________________________________________________________


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

[1] J. L. Bower and C. M. Christensen, "Disruptive Technologies:

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”,

Plastics Technology, 2004.

[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


_________________________________________________________________________________________________________________________


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.

_______________________________________________________________________________________________________________________________


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

http://www.inverpal.com/wp-content/uploads/


_________________________________________________________________________________________________________________________


“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.

_______________________________________________________________________________________________________________________________


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


_________________________________________________________________________________________________________________________


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

va

Are

na

Sil

ícic

a

Azu

fre

Bar

itin

a

Cal

iza

Dia

tom

ita

Esm

ecti

ta

Gey

seri

ta

Gra

fito

Mic

a

Pie

dra

Sem

ipre

ciosa

Per

lita

s

Póm

ez

Roca

s M

aci

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.

_______________________________________________________________________________________________________________________________


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


_________________________________________________________________________________________________________________________


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.

_______________________________________________________________________________________________________________________________


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


_________________________________________________________________________________________________________________________


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

Inves

tigac

ión

Pro

spec

ción

Explo

raci

ón

Explo

taci

ón

Arc

hiv

ada

Tra

baj

ando

Tra

baj

o E

sporá

dic

o

No T

rabaj

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Agota

da

De

Import

anci

a G

eoló

gic

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Lad

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Adobes

Tra

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o N

acio

nal

San

itar

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.

_______________________________________________________________________________________________________________________________


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.




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.




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

43


_________________________________________________________________________________________________________________________


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.

44

http://www.buenvivir.gob.ec/

Propagación de Incertidumbre en los Patrones de Vibración de Vigas Rotantes

_________________________________________________________________________________________________________________________


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


** 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


_______________________________________________________________________________________________________________________________


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


_________________________________________________________________________________________________________________________


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


_______________________________________________________________________________________________________________________________


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


_________________________________________________________________________________________________________________________


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


_______________________________________________________________________________________________________________________________


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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[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 _________________________________________________________________________________________________________________________


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.


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

mailto:%[email protected]


Loza D.; Torres M.; Ruilova M.; Albán L.; Velasco R.; Segura L.; Dabirian R. _______________________________________________________________________________________________________________________________


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



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



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



Figura 6. Homogenización de la temperatura en la incubadora con agitación

Figura 7. Controlador Proporcional del Motor


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



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.

56

Modelos de Gobierno TI para Instituciones de Educación Superior _________________________________________________________________________________________________________________________


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


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.___________________________________________________________________________________________________________________________


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



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.___________________________________________________________________________________________________________________________


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



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.___________________________________________________________________________________________________________________________


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

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62

Análisis de la Transformación de Modelo CIM a PIM en el Marco de Desarrollo de la Arquitectura Dirigida por Modelos (MDA) ___________________________________________________________________________________________________________________


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,


*** Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Departamento de Ciencias Computacionales, Sangolqui, Ecuador


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. *** _____________________________________________________________________________________________________________________________


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) ___________________________________________________________________________________________________________________


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



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 _________________________________________________________________________________________________________________________


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


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.* _______________________________________________________________________________________________________________________________


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



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



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



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



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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75



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)

76



- 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

77



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.

78

Análisis del Algoritmo Esteganográfico F5 para Imágenes JPEG a Color _________________________________________________________________________________________________________________________


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.* _______________________________________________________________________________________________________________________________


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



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



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



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

83



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

84



soportaría mínimas o casi nulas modificaciones o alteraciones

en la estego-imagen, dado que si esto ocurre el mensaje

oculto no podrá ser recuperado.

REFERENCIAS

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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

__________________________________________________________________________________________________________________________


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


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.* _______________________________________________________________________________________________________________________________


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].


2.1Materiales

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


__________________________________________________________________________________________________________________________


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.


3.1Asentamiento, 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



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




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


__________________________________________________________________________________________________________________________


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




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




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




90



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


__________________________________________________________________________________________________________________________


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



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


__________________________________________________________________________________________________________________________


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.

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94

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Evaluación del Riesgo en Desprendimiento y Caracterización Geomecánica de los Taludes Rocosos en el Sector Quebrada del Diablo, Estado Mérida

_______________________________________________________________________________________________________________________________

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

95

Bongiorno F.*; Angulo N.*; Belandria N.* _______________________________________________________________________________________________________________________________


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

96


_______________________________________________________________________________________________________________________________


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


desarrollan anualmente.

80 Caso extremo


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

97


_______________________________________________________________________________________________________________________________


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


_______________________________________________________________________________________________________________________________


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


_______________________________________________________________________________________________________________________________


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


_______________________________________________________________________________________________________________________________


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.

REFERENCIAS

[1]. N. Belandria y F. Bongiorno, “Clasificaciones geomecánicas de

los macizos rocosos según: Bieniawski, Barton, Hoek y Brown,

Romana”, Guía práctica didáctica de geotecnia aplicada,

Universidad de Los Andes, Mérida-Venezuela, 2012.

[2]. Z. T. Bieniawski, “Rock Mechanics Design in Mining and

Tunnelling”, Balkema, Rotterdam, Chap. 55, 1984, pp. 55-95.

[3]. T. Boesi, R. Higgs, M. A. Lorente, L. Mompart, J. S. Testamark

y R. Falcón, “Facies and sedimentary environments of the

cretaceous La Luna Formation in San Pedro del Rio Section,

Venezuelan Andes: A multidisciplinary study”, Conferencia

Internacional, Venezuela, 1993.

[4]. F. Bongiorno, E. Díaz, E. Jiménez, y N. Belandria, “Estudio

geomorfológico aplicado a la susceptibilidad de terrenos en la

101


_______________________________________________________________________________________________________________________________


cuenca alta del río Albarregas, del municipio Libertador, estado

Mérida, Venezuela”, Geominas , 39 (55), pp. 87-93, 2011.

[5]. F. Bongiorno, G. Molina, N. Belandria y R. Rivero, “Estudio de

las propiedades geomecánicas de los taludes ubicados entre Los

Guaimaros y Mesa de Los Indios, Merida – Velnezuela”,

Geominas , 39 (56), pp. 135-142, 2011.

[6]. F. Bongiorno, Z. Monsalve, N. Belandria, y N. Montilla,

“Evaluación geotécnica del río El Topo, autopista Caracas – La

Guaira, Venezuela”, Revista Ciencia e Ingeniería, Vol. 31, Nº 1,

pp. 25 – 32, 2010.

[7]. Comisión Venezolana de Estratigrafía y Terminología– CVET,

“Léxico Estratigráfico de Venezuela”, 3era. Edición, Ministerio

de Energía y Minas, Bol. Geo. Pub. Especial N°12, 1997.

[8]. M. Ferrer y L. González, “Manual de campo para la descripcion

y caracterizacion de macizos rocosos en afloramientos” (2 ed.).

Madrid, España: Instituto Geologico y Minero de España, 2007.

[9]. R. Fonseca, C. Raïmat y Caba J, “Aplicación de membranas

flexibles para la prevención de riesgos naturales”, Madrid,

España, Editorial Geobrugg Ibérica S.A. 2010.

[10]. de González, “Geología de Venezuela y de sus cuencas

Petrolíferas”, Ediciones Foninves, Tomo I y II, 1980.

[11]. L. González, M. Ferrer, L. Ortuño y C. Oteo, “Ingenieria

geológica”, Madrid: Pearson Educación, 2002.

[12]. INGEOMIN, “Estudio de susceptibilidad y amenazas geológicas

con fines de socialización geocientífica, República Bolivariana

de Venezuela”.

[13]. E. La Marca, “Origen y evolución geológica de la cordillera de

Mérida, Andes de Venezuela”, Cuadernos de la escuela de

geografía, nueva época, Universidad de los Andes, Mérida, Nº1:

1 – 110, pp. 5 – 92, 1997.

[14]. M. Romana, “Nuevos factores de ajuste para la aplicación de la

clasificación de Bieniawski a los taludes”, Jornada Geotécnica

Nacional, Madrid, España, 1985.

[15]. D. Salcedo, “Proyecciones Hemisfericas”. Publicaciones de la

Facultad de Ingeniería. Universidad de los Andes. Mérida,

Venezuela, 1978.

[16]. H. Sönmez y R. Ulusay, “A discussion on the Hoek-Brown

failure criterion and suggested modifications to the criterion

verified by slope stability case studies”, Yerbilimleri , 26, pp. 77-

99, 2002.

[17]. J. Toapaxi, L. Galiano, M. Castro M, X. Hidalgo y N. Valencia,

“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

Este documento es una plantilla para versiones Microsoft

Word 6.0 o posteriores. Si está leyendo una versión impresa

de este documento, por favor descargue el archivo

electrónico, revistapolitécnicaplantilla.doc. Por favor, no

coloque ningún número consecutivo, encabezado / pie de

páginaen el documento presentado.

Puede escribir sobre las secciones de la

revistapolitécnicaplantilla.doc o cortar y pegar de otro

documento y, luego usar estilos de marcado. El menú

desplegable de estilo está a la izquierda de la barra de

herramientas de formato, en la parte superior de la ventana de

Word (por ejemplo, el estilo en este punto del documento es

"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


** 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.

Los autores pueden hacer uso de este documento como una plantilla para componer su artículo si están utilizando

Microsoft Word 6.0 o superior. Caso contrario, este documento puede ser utilizado como una guía de instrucciones.

El número máximo de páginas será 10. La versión completa del formato así como para el envío de los artículos, los

autores deben ingresar al sitio web de la Revista Politécnica (www.revistapolitecnica.epn.edu.ec).

Palabras clave: Incluir una lista de 5-10 palabras clave.

Abstract: These instructions give you guidelines for preparing papers for EPN Journal. Papers can be written in

Spanish or English; however, an abstract in both languages is required. Use this document as a template to compose

your paper if you are using Microsoft Word 6.0 or later. Otherwise, use this document as an instruction set. The

maximum number of pages will be 10. For submission guidelines, follow instructions on paper submission system

from the EPN Journal website(www.revistapolitecnica.epn.edu.ec).

Keywords: Include a list of 5-10 keywords.

http://www.revistapolitecnica.epn.edu.ec/

http://www.revistapolitecnica.epn.edu.ec/


_________________________________________________________________________________________________________________________


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:

[1] W.K.Chen,LinearNetworksandSystems.Belmont, CA:Wadsworth,

1993, pp. 123–135.

[2] G.O.Young,―Syntheticstructureofindustrial plastics,‖in Plastics, 2nd

ed., vol. 3, J. Peters, Ed. New York: McGraw-Hill,1964,pp.15–64.

Formato básico para periódicos:

[3] J. U. Duncombe, ―Infrared navigation—Part I: An assessment

of feasibility,‖ IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-11, no. 1, pp. 34–39, Jan. 1959.

[4] E. H. Miller, ―A note on reflector arrays,‖ IEEE Trans. Antennas

Propagat., to be published.

[5] E. P. Wigner, ―Theory of traveling-wave optical laser,‖Phys. Rev.,

vol. 134, pp. A635–A646, Dec. 1965.

Formato básico para manuales: [6] Motorola Semiconductor Data Manual, Motorola Semiconductor

Products Inc., Phoenix, AZ, 1989.

[7] Transmission Systems for Communications, 3rd ed., Western Electric

Co., Winston-Salem, NC, 1985, pp. 44–60.

Formato básico para libros (cuando están habilitados en

línea):

[8] J. Jones.(1991, May 10). Networks.(2ndEd.)[Online]. Available:http://www.atm.com

Formato básico para revistas (cuando estén habilitadas en

línea):

[9] R. J. Vidmar. (1992, Aug.). On the use of atmospheric

plasmasaselectromagneticreflectors. IEEETrans. PlasmaSci.[Online].21(3),pp. 876–880. Available:

http://www.halcyon.com/pub/journals/21ps03-vidmar

Formato básico para artículos presentados en conferencias

(cuando estén habilitadas en línea):

[10] PROCESS Corp., MA. Intranets: Internet technologies deployedbehindthefirewall forcorporateproductivity. Presentedat

INET96AnnualMeeting.[Online]. Available:

http://home.process.com/Intranets/wp2.htp

Formato básico para las actas de congresos (publicadas): [11] D. B. Payne and J. R. Stern, ―Wavelength-switched pas-

sivelycoupledsingle-mode opticalnetwork,‖in Proc. IOOC-

ECOC,1985, pp.585–590.

Basic format for theses (M.S.) and dissertations (Ph.D.):

[12] G. Brandli and M. Dick, ―Alternatingcurrent fed power supply,‖ U.S.Patent 4 084 217,Nov.4,1978.

Formato básico de las tesis (MS) y disertaciones (Ph.D.):

[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:

http://www.atm.com/




http://home.process.com/Intranets/wp2.htp


_________________________________________________________________________________________________________________________


[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.

Instructivo para publicar un Artículo

1. Solicitar usuario y contraseña para acceder al portal web de la Revista Politécnica al correo [email protected]

2. Ingresar al portal web e iniciar el proceso de envío

3. Comenzar el envío

4. Colocar requisitos de envío

Lista de comprobación de preparación de envíos

Como parte del proceso de envío, se les requiere a los autores que indiquen que su envío cumpla con todos los

siguientes elementos, y que acepten que envíos que no cumplan con estas indicaciones pueden ser devueltos al autor.

- La petición no ha sido publicada previamente, ni se ha presentado a otra revista (o se ha proporcionado una

explicación en Comentarios al Editor).

- El fichero enviado está en formato OpenOffice, Microsoft Word, RTF, o WordPerfect.

- Se han añadido direcciones web para las referencias donde ha sido posible.

- El texto tiene interlineado simple; el tamaño de fuente es 10 puntos; se usa cursiva en vez de subrayado

(exceptuando las direcciones URL); y todas las ilustraciones, figuras y tablas están dentro del texto en el sitio que

les corresponde y no al final del todo.

- El texto cumple con los requisitos bibliográficos y de estilo indicados en las Normas para autoras/es, que se

pueden encontrar en "Acerca de la Revista".

Nota de copyright

Los autores que publican en esta revista están de acuerdo con los siguientes términos:

http://es.wikipedia.org/wiki/Evaluaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Cr%C3%ADtica



_________________________________________________________________________________________________________________________


- Los autores conservan los derechos de autor y garantizan a la revista el derecho de ser la primera publicación del

trabajo al igual que licenciado bajo una Creative Commons Attribution License que permite a otros compartir el

trabajo con un reconocimiento de la autoría del trabajo y la publicación inicial en esta revista.

- Los autores pueden establecer por separado acuerdos adicionales para la distribución no exclusiva de la versión

de la obra publicada en la revista (por ejemplo, situarlo en un repositorio institucional o publicarlo en un libro),

con un reconocimiento de su publicación inicial en esta revista.

- Se permite y se anima a los autores a difundir sus trabajos electrónicamente (por ejemplo, en repositorios

institucionales o en su propio sitio web) antes y durante el proceso de envío, ya que puede dar lugar a

intercambios productivos, así como a una citación más temprana y mayor de los trabajos publicados (Véase The

Effect of Open Access) (en inglés).

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volumen 36 no 3 septiembre 2015 - inicio · de los taludes rocosos en el sector quebrada del...

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