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UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA CIVIL
DISEÑO DE UNA MEZCLA ENTRE MATERIAL GRANULAR Y BORRAS
PETROLERAS PARA USO COMO CAPA GRANULAR EN UNA ESTRUCTURA
DE VÍA
PRESENTA POR:
DAVID SANTIAGO VALBUENA ROJAS
20122279071
JOSÉ MAICOL SIERRA GONZÁLEZ
20122279041
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERIA CIVIL BOGOTA D.C
2015
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA CIVIL
DISEÑO DE UNA MEZCLA ENTRE MATERIAL GRANULAR Y BORRAS
PETROLERAS PARA USO COMO CAPA GRANULAR EN UNA ESTRUCTURA
DE VÍA.
AUTORES:
DAVID SANTIAGO VALBUENA ROJAS
20122279071
JOSÉ MAICOL SIERRA GONZÁLEZ
20122279041
TRABAJO DE GRADO PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO CIVIL
DIRECTOR:
ING. VICTOR HUGO DIAZ ORTIZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD TECNOLOGICA PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERIA CIVIL
BOGOTA D.C 2015
NOTA DE ACEPTACIÓN
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA CIVIL
EL trabajo de grado titulado: DISEÑO DE UNA MEZCLA ENTRE MATERIAL GRANULAR Y BORRAS PETROLERAS PARA USO COMO CAPA GRANULAR EN UNA ESTRUCTURA DE VÍA., de los autores David Santiago Valbuena Rojas y José Maicol Sierra González, cumple con los requisitos para optar al título de Ingeniero Civil.
_______________________________
Firma Tutor
_______________________________
Firma jurado
_______________________________
Firma jurado
BOGOTA D.C, Septiembre de 2015
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA CIVIL
AGRADECIMIENTOS
Este Trabajo de Grado es el resumen del esfuerzo que hicieron muchas personas
durante el tiempo que estuvimos estudiando Ingeniería Civil. Por esta razón, nos
gustaría agradecer a todos ellos que nos apoyaron y estuvieron con nosotros
durante este proceso. Les agradecemos enormemente a:
Nuestra familia y amigos, por su apoyo incondicional.
Ingeniero Luis Ernesto Barrios Calderon quien fue de gran apoyo en todo el
proceso de este trabajo.
Laboratorios CONTECON-URBAN, gracias por su apoyo y por los servicios
prestados en especial al Ingeniero Camilo Torres.
Equipo de Ingeniería Civil de campo y oficina en especial a los ingenieros
Hugo Vargas y Fabián Forero por su apoyo incondicional.
A cada uno de los maestros que tuve a lo largo de la carrera.
A todos los mencionados y a los que de pronto se me olvidó mencionar, sólo les
puedo decir:
Muchas Gracias.
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CONTENIDO
RESUMEN ............................................................................................................. 10
INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 11
1. PRESENTACIÓN DEL PROYECTO. ............................................................. 12
1.1 IDENTIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN EL PROBLEMA.............................. 12
1.2 JUSTIFICACIÓN ....................................................................................... 13
1.3 INTERROGANTE ..................................................................................... 14
1.4 OBJETIVOS .............................................................................................. 15
1.4.1. OBJETIVO GENERAL ....................................................................... 15
1.4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS .............................................................. 15
2 MARCO DE REFERENCIA ............................................................................ 16
2.1 MARCO TEORICO ................................................................................... 16
2.1.1. Borras. ................................................................................................ 16
2.1.2. Métodos de disposición final de las borras ......................................... 18
2.1.3. Recebo común ................................................................................... 19
2.1.4. Ensayo de Proctor modificado de laboratorio ..................................... 19
2.1.5. Ensayo de CBR de Laboratorio .......................................................... 21
2.1.6. Lecho de secado ................................................................................ 23
2.1.7. Gravedad especifica en grados Baume o grados API ........................ 25
2.2 MARCO NORMATIVO. ............................................................................. 27
2.3 MARCO GEOGRAFICO ........................................................................... 28
2.4 GLOSARIO ............................................................................................... 31
3 METODOLOGÍA. ............................................................................................ 32
3.1 Primer capítulo. Obtención de materias primas. ....................................... 32
3.2 Segundo capitulo. Deshidratación y secado del Borras. ........................... 32
3.3 Tercer capítulo. Caracterización de los materiales. .................................. 32
3.4 Cuarto capítulo. Definición de proporciones para elaboración de la mezcla
Recebo más Borras ............................................................................................ 33
3.5 Quinto capítulo. Ensayos de CBR ............................................................ 33
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3.6 Tratamiento especial borras ..................................................................... 33
4 PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS ............................................................. 34
4.1 LECHO DE SECADO A ESCALA ............................................................. 34
4.1.1. Elección Sistema de Deshidratación y Desvolatilización de la Muestra
de Borras. ....................................................................................................... 34
4.1.2. Construcción del Lecho de Secado a Escala ..................................... 35
4.1.3. Evolución del lecho de secado ........................................................... 38
4.1.4. Retiro de borras del lecho de secado. ................................................ 41
4.2 CARACTERIZACION DEL BORRAS........................................................ 43
4.2.1. Obtención Borras ............................................................................... 43
4.2.2. Clasificación de las borras como residuo o desecho peligroso. ......... 44
4.2.3. Propiedades físicas de las borras. ..................................................... 45
4.2.4. Borras después del lecho de secado. Densidad, gravedad específica y
grado API. ....................................................................................................... 46
4.3 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL GRANULAR. ............................... 50
4.3.1. Obtención del material granular. ........................................................ 50
4.3.2. Ensayos de Laboratorio Material Granular. ........................................ 51
5 ANALISIS DE RESULTADOS. ....................................................................... 64
5.1 COMPARACIÓN HUMEDAD OPTIMA - PORCENTAJE OPTIMO DE
BORRAS ............................................................................................................ 64
5.2 COMPARACIÓN RESULTADOS CBR DE LABORATORIO .................... 65
6 CONCLUSIONES ........................................................................................... 71
7 RECOMENDACIONES. .................................................................................. 73
BIBLIOGRAFIA. ..................................................................................................... 75
ANEXOS ................................................................................................................ 77
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Tanques de almacenamiento de crudo. .................................................. 16
Figura 2. Diseño típico lecho de secado. ............................................................... 24
Figura 3. Vías pavimentadas departamento del Casanare .................................... 29
Figura 4. Material particulado en vía temporal a campo petrolero ......................... 30
Figura 5. Mapa de infraestructura petrolera Casanare ANH 2015 ......................... 30
Figura 6. Granulometría de la arena del lecho de secado ..................................... 37
Figura 7. Lecho de secado recién construido ........................................................ 37
Figura 8. Lecho de secado día 0. Un minuto después de adicionar las borras ...... 38
Figura 9. Tapado del lecho de secado con dos aberturas laterales para circulación
de aire .................................................................................................................... 38
Figura 10. Evolución del lecho de secado ............................................................. 39
Figura 11. Estado final lechos de secado. 7 de septiembre de 2015 Día 30 ......... 40
Figura 12. Retiro de borras luego de 30 días de secado ....................................... 41
Figura 13. Borras finales luego del secado ............................................................ 42
Figura 14. Capa con propiedades plásticas encontrada en el lecho de secado. ... 43
Figura 15. Galón de borras .................................................................................... 44
Figura 16. Procedimiento para determinación de gravedad específica y gravedad
API despues del lecho de secado. ......................................................................... 47
Figura 17. Gráfica Grado API y Gravedad Especifica Borras ................................ 49
Figura 18. Recebo puesto en bandejas para su secado natural. ........................... 50
Figura 19. Resultado Proctor modificado Recebo más agua ................................. 54
Figura 20. Resultado proctor Recebo más borras vs Porcentaje volatizado de
borras ..................................................................................................................... 56
Figura 21. Resultado porcentaje óptimo de Borras ................................................ 57
Figura 22. Grafica CBR recebo más agua ............................................................. 59
Figura 23. Resultado ensayo CBR, Recebo más agua .......................................... 60
Figura 24. Grafica CBR, recebo más Borras ......................................................... 62
Figura 25. Resultado CBR, Recebo más Borras.................................................... 63
Figura 26. Comparación humectación optimas Borras-Agua ................................. 64
Figura 27. Comparación Esfuerzo vs penetración muestra Con borras (CB) y sin
borras (SB)............................................................................................................. 65
Figura 28. Incremento de CBR muestra con borras (CB) y sin borras (SB) 65
golpes .................................................................................................................... 66
Figura 29. Incremento de CBR muestra con borras (CB) y sin borras (SB) 10
golpes .................................................................................................................... 67
Figura 30. Incremento de CBR muestra con borras (CB) y sin borras (SB) 30
golpes .................................................................................................................... 67
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Figura 31. Comparación esfuerzo-penetración, muestra con borras (CB) y sin
borras (SB) 65 golpes ............................................................................................ 68
Figura 32. Comparación esfuerzo-penetración, muestra con borras (CB) y sin
borras (SB) 30 golpes ............................................................................................ 69
Figura 33. Comparación esfuerzo-penetración, muestra con borras (CB) y sin
borras (SB) 10 golpes ............................................................................................ 70
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Composición aproximada del crudo ......................................................... 17
Tabla 2. Valores de presión y penetración de la muestra patrón ........................... 22
Tabla 3. Granulometría para material filtrante del lecho de secado ....................... 24
Tabla 4. Memoria de cálculo tiempo de secado borras .......................................... 35
Tabla 5. Evolución del lecho de secado ................................................................. 40
Tabla 6. Evolución infiltración lecho de secado ..................................................... 41
Tabla 7. Análisis físico de las Borras ..................................................................... 45
Tabla 8. Contenido de agua Borras ....................................................................... 46
Tabla 9. Determinación de la gravedad específica, grado API muestra luego del
lecho de secado ..................................................................................................... 48
Tabla 10. Resultados Densidad, GS y grado API Borras ...................................... 50
Tabla 11. Resumen laboratorios caracterización recebo ....................................... 51
Tabla 12. Resultado ensayo Proctor modificado recebo más agua ....................... 53
Tabla 13. Resultado proctor recebo más borras .................................................... 55
Tabla 14. Resultado CBR Recebo más agua ........................................................ 58
Tabla 15. Resultado CBR Recebo más Borras ...................................................... 61
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10
RESUMEN
Las borras generadas en los procesos de extracción, separación, y almacenamiento de crudo son contaminantes y poco útiles en la industria petrolera por tener la característica de ser residuos difíciles de tratar ya que es un hidrocarburo con una compleja y larga cadena química, obligando a las empresas productoras de crudo a realizar una disposición final de dicho residuo en lugares especializados y generalmente alejados de los campos de producción generando elevados costos en este proceso.
Por otro lado, las vías temporales usadas para la interconexión de los campos petroleros en varios puntos de Colombia son en afirmado por factores políticos, la dificultad topográfica del terreno, y factores socioeconómicos que imposibilitan una mejor calidad en este tipo de vías. Por tal motivo, su mantenimiento se debe hacer a corto plazo, en especial en vías con alto tráfico, lo que genera costos de reparación, transporte de material seleccionado y en mano de obra.
Estas vías internas de operación, que comunican campos exploratorios, cada año
reciben un mantenimiento aliviando el confort para el tráfico vehicular, esta
solución es poco duradera debido a las condiciones adversas a las que se
someten diariamente las vías como también, debido a la baja cohesión que
presenta el material con que se ejecutan los mismos.
Se propone estudiar la generación de una mezcla de un agregado pétreo definido
por norma como recebo y residuos petroleros conocidos como borras, que
cumplan con las solicitudes técnicas, para reutilizar estos residuos en la
construcción de las vías temporales y en los terraplenes en general hechos en
campo. Reduciendo costos, reutilizando un desecho y observando que
características favorables adicionales pueda tener esta mezcla.
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11
INTRODUCCIÓN
Se ha venido trabajando en la posibilidad de implementar el uso del borras en conjunto con un material granular para la construcción de vías temporales con el fin de reutilizar y optimizar procesos industriales que representen ganancias económicas, ayudas ambientales y solución a problemas de movilidad.
Las borras generadas en los procesos de extracción, separación, y almacenamiento, de crudo son contaminantes y poco útiles en la industria petrolera por tener la característica de ser residuos difíciles de tratar, compuestos por un hidrocarburo con una compleja y larga cadena química, obligando a las empresas productoras de crudo a realizar una disposición final de dicho residuo en lugares especializados y generalmente alejados de los campos de producción generando elevados costos en este proceso.
El alcance del presente proyecto es evaluar la posibilidad de utilizar agregados pétreos y residuos petroleros conocidos como Borras para utilizarse en conjunto para el mejoramiento de las vías terciarias construidas o por construir, bajo su fundamento teórico, práctico y de laboratorio, precisamente para evaluar el comportamiento de los materiales con su respectivo análisis.
Para realizar este estudio se solicitó una muestra de borras a una Operadora petrolera del país en los Llanos Orientales, cuyo campo de producción se caracteriza por tener pozos de crudo liviano. Para esto se mezclara con un agregado petreo clasificado como recebo ya que su capacidad portante es baja y se compara su comportamiento mecánico por medio de ensayos CBR de laboratorio.
Determinando el porcentaje óptimo de mezcla entre el material granular y el borras, realizando ensayos que caractericen físicamente ambos componentes y observando a medida que se realiza el trabajo que recomendaciones o conclusiones se pueden obtener. Esto para ver si el borras se puede utilizar como liquido humectante del material granular para que reorganice las partículas y logre una compactación sin comprometer las propiedades mecánicas del material, esperando una posible mejoría del mismo.
Las vías temporales en campo se construyen hasta la capa de rasante, con material de préstamo lateral o seleccionado de canteras ubicados en los ríos de los llanos orientales. Por tal motivo se desea estudiar el comportamiento de la mezcla, en especial esta capa de la estructura de la vía ya que sería la aplicación real en campo.
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12
1. PRESENTACIÓN DEL PROYECTO.
1.1 IDENTIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN EL PROBLEMA
Actualmente no se cuenta con un proceso óptimo de recuperación de materiales
provenientes del reciclado de borras, residuo constante en el proceso de
extracción y producción del crudo, el cual requiere de una inversión permanente
en su almacenamiento, transporte y disposición final, es por esto que se hace
necesaria la búsqueda de alternativas que promuevan el uso de estos desechos
dentro de los proyectos de mantenimiento, rehabilitación y construcción vial.
Como consecuencia del crecimiento económico y la necesidad de incrementar la
infraestructura petrolera en nuestro país, actualmente se están impulsando
proyectos a nivel nacional que demandan cada vez más, una gran cantidad de
recursos y materias primas que generan un impacto medio ambiental bastante
significativo. Adicionalmente el deterioro de la red vial existente entre los campos
petroleros debido a condiciones como el flujo vehicular, el clima, el tiempo de
servicio, entre otros, hace necesario la implementación de nuevas tecnologías
como el mejoramiento de vías con mezcla de agregados pétreos con borras
petroleras como alternativa para el aprovechamiento y la optimización de los
recursos existentes.
Esto para reducir costos de la disposición de este residuo y solventar problemas
técnicos y ambientales que actualmente se presentan en campo, como el
transporte de largas distancias de materiales granulares seleccionados y de buena
calidad, captación de agua de fuentes hídricas, contaminación por materiales
particulados una vez puesta en operación las vías temporales, que se podrían
mitigar al utilizar las borras como parte de la mezcla en las estructuras viales
temporales, que se usan en las carreteras que intercomunican los diferentes
campos petroleros.
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13
1.2 JUSTIFICACIÓN
La crítica disponibilidad de recursos económicos destinados a proyectos nuevos o
su insuficiencia para hacer frente a la continua y efectiva conservación,
rehabilitación y reconstrucción de los sistemas viables existentes, ha obligado a
estudiar y aplicar técnicas de mantenimientos menos onerosos pero con un
comportamiento similar a las actuaciones convencionales.
Esta mezcla de borras y agregados pétreos podrían presentar las siguientes
ventajas:
Permite la reutilización de los residuos provenientes de la extracción
petrolera en los campos, incorporando estos desechos en bases de
rodadura con propiedades mecánicas similares a las existentes con
productos asfalticos comunes.
Económicamente reduce costos de disposición final para las borras lo que
permite ahorrar costos para la elaboración de una nueva mezcla asfáltica
teniendo en cuenta que el material de aporte proviene de procesos de
reciclaje.
Las borras con un desecho que siempre se generara en la explotación
petrolera, lo que hace que sea un problema constante en esta actividad, al
poderle dar un uso en las obras civiles fomentaría el aprovechamiento de
este residuo y ya pasaría a ser un elemento pasivo (Almacenado) a ser un
elemento dinámico en el desarrollo vial.
Reduce costos permanentes de tratamiento y disposición final de residuos
industriales como son las borras petroleras.
Mejora la resistencia de las vías temporales a los efectos climáticos como la
lluvia y el viento.
Pero probablemente también tendría las siguientes desventajas.
Al ser un hidrocarburo sin refinación posee aún muchas cadenas químicas
livianas que con el tiempo probablemente podría llegar a ser un agente
contaminante en el ambiente circundante.
Para evitar la generación de aceites con seguridad se deberían usar
aditivos que harían la mezcla económicamente inviable.
Los anteriores beneficios promueven el empleo de materiales reciclados para el
desarrollo de proyectos de infraestructura vial en los diferentes requerimientos que
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14
el país presente y hacen necesario la caracterización de las mezclas recicladas y
de los materiales que la componen, para argumentar de manera técnica las
buenas propiedades mecánicas y físicas que resultan de la combinación del
borras con el material granular.
Se tienen en consideración las actuales condiciones de los campos petroleros de
Colombia en la zona de los llanos orientales, los cuales están expuestos a varios
factores dañinos para las obras civiles como los cambios de temperatura,
temporadas de sequias y en contrasté temporadas de gran pluviosidad. Operación
de vehículos de carga con producción continúa de crudo, que transita por las vías
que intercomunican los diferentes campos petroleros.
Algunos campos se encuentran ubicados lejos de centros poblados importantes,
provocando que el transporte de maquinaria y personal calificado sea un proceso
logístico y administrativo dispendioso. Además de los altos estándares de
seguridad industrial propios de la industria de hidrocarburos exigidos a los
contratistas de obras civiles. Sean factores que incrementan los costos de
construcción y mantenimiento de las vías temporales.
Estas vías temporales se deben realizar para poder transportar la producción de
los diferentes campos por medio de carrotanques hasta los puntos donde se
cuente con una infraestructura de transporte de hidrocarburos más eficiente como
lo son los oleoductos y poliductos. Siempre tratando de mantener los costos de
construcción y mantenimiento de estas infraestructuras al mínimo.
Por tal motivo es evidente el impacto económico que podría generar la
implementación de nuevas alternativas de reciclaje de materiales en los proyectos
de rehabilitación, conservación en vías temporales, como también el ahorro en el
tratamiento de los residuos petroleros.
1.3 INTERROGANTE
¿Puede utilizarse el residuo petrolero Borras en combinación con material granular
para ser utilizada como capa en una estructura vial?
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1.4 OBJETIVOS
1.4.1. OBJETIVO GENERAL
1.4.1.1 Estudiar las propiedades físicas del borras, que permita clasificarlo
como material asfaltico y mezclarlo con material granular para determinar las
nuevas características mecánicas que produce esta mezcla y su posible uso.
1.4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
1.4.2.1 Caracterizar el material granular recebo, utilizado para la mezcla
mediante ensayos individuales.
1.4.2.2 Caracterizar las borras físicamente teniendo encuentra parámetros
de seguridad. Mediante ensayos de Gravedad específica, gravedad API y
viscosidad.
1.4.2.3 Realizar un lecho de secado a escala que permita deshidratar la
muestra de borras y volatilizar sus cadenas de hidrocarburos más livianas,
mecánicamente mediante infiltración y por evaporación de la superficie expuesta
al aire.
1.4.2.4 Plantear combinaciones de varias proporciones de borras con
material granular para establecer un porcentaje optimo según los criterios mininos
establecidos en la normatividad actual.
1.4.2.5 Realizar ensayo de laboratorio CBR a la mezcla elaborada de
agregado pétreo con borras, para establecer el comportamiento mecánico de las
mismas en comparación de una materia pétreo recebo compactado con su
humedad óptima.
1.4.2.6 Analizar los resultados obtenidos sobre el comportamiento de la
mezcla, estableciendo conclusiones y recomendaciones.
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16
2 MARCO DE REFERENCIA
2.1 MARCO TEORICO
2.1.1. Borras.1
Son generadas en los tanques y tuberías de la industria del petróleo son residuos
que se forman después de largos periodos de tiempo, por sedimentación y
aglomeración de:
Compuestos hidrocarbonados, especialmente de cadenas más largas, presentes en el crudo,
Sólidos, sedimentos (rocas, arena, lodos de perforación, entre otros) y materia orgánica,
Agua Como consecuencia de las aglomeraciones de los hidrocarburos, la emulsión del agua en el crudo y la retención de sedimentos en aquella; los grados API disminuyen, alcanzando valores incluso inferiores a 10 ºAPI, formándose masas densas y viscosas, difíciles de bombear, que se depositan en el fondo de los tanques, reduciendo su capacidad, o generan taponamientos en las tuberías.
Figura 1. Tanques de almacenamiento de crudo.
1 Suarez, Desarrollo de un método químico para recuperación de crudo a partir de las borras
generadas en los procesos de mantenimiento de tanques y tuberías en distritos de producción petroleros de Colombia. Bogotá, Universidad Nacional de Colombia. 2011. Pág 5-7
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17
La borra está compuesta en general por hidrocarburos parafínicos, asfaltenos, agua, compuestos de azufre, óxidos metálicos, gases disueltos y sólidos como arena y sedimentos. Como la proporción de estos componentes en las borras depende de las características del crudo de cada lugar donde ha sido extraído, las cuales a su vez dependen de los compuestos con que ha sido formado, es importante señalar algunas generalidades respecto a los crudos. De acuerdo con la literatura la composición aproximada del crudo es presentada en la Tabla 1.
Tabla 1. Composición aproximada del crudo
Elemento %
C 83 a 87%
H 11 a 14%
O 0 a 5%
S 0 a 6%
N 0 a 0.5%
C. Inorgánicos 0 a 0.1%
El crudo se puede clasificar según su composición en:
Parafínicos: Sus compuestos principales son hidrocarburos saturados de bajo peso molecular, lo que permite que sean crudos muy fluidos. Tienen una densidad alrededor de 0,85 kg/L y están por encima de los 31º API. Son los crudos más apetecidos comercialmente y de mayor precio, por su facilidad de ser procesados y por la calidad de los productos obtenidos. Estos crudos producen mayores porcentajes de parafinas, naftas (solventes y gasolinas) y bases de aceites lubricantes que otros crudos.
Nafténicos: Sus compuestos principales son naftenos e hidrocarburos aromáticos; tienen un mayor peso molecular que los compuestos parafínicos y una densidad alrededor de 0,95 kg/L. Están entre los 10 y los 22º API, siendo muy viscosos y de coloración oscura. Generan gran cantidad de residuos en los procesos de destilación, principalmente asfalto.
Mixtos: Están formados por toda clase de hidrocarburos: parafinas, naftenos, hidrocarburos saturados, insaturados y aromáticos, entre otros, encontrándose densidades alrededor de 0,9 kg/L y gravedades API entre los 22° y los 31º.
Dulce: Su contenido de azufre es menor de 0,5%, por lo cual requiere menor costo en su proceso de refinación para producir gasolina.
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18
Agrio: su contenido de azufre es mayor que 1%, necesitando mayor inversión en su procesamiento para retirar este contaminante.
2.1.2. Métodos de disposición final de las borras2
Dentro de los métodos de disposición final más utilizados por las empresas a nivel de los distritos petroleros, se encuentra el método de biorremediación. Otro método de disposición final muy común que es ofrecido a las empresas es la incineración. A continuación se hace una breve descripción de ambos métodos de disposición final. Biorremediación. La biorremediación consiste en la eliminación de contaminantes
usando microorganismos. Es un proceso complejo que debe tener en cuenta
aspectos de la naturaleza y cantidad de contaminantes, las condiciones locales y
la composición de la comunidad microbiana autóctona. El material contaminado se
trata en el sitio ó en biorreactores.
Para el caso de los hidrocarburos, la biorremediación del suelo, es el más económico. En el tratamiento de tierras se puede controlar el lugar y, hasta cierto punto, la tasa de degradación, pero necesita cierta preparación para asegurar que la escorrentía y la lixiviación no extiendan los contaminantes. Los hidrocarburos se aplican al suelo de tal forma que se consiga una concentración del 5% en los 15-20 cm superiores del suelo; por encima del 10% se inhiben los procesos de biodegradación. Estos límites de concentración se traducen en que por cada 100 mil litros de hidrocarburos se necesita una hectárea de tierra. El pH se ajusta mediante caliza entre 7 y 8. Se aplican abonos que aporten Nitrógeno y Fósforo en una relación de N=200:1, P=800:1. Durante este tipo de tratamientos, hay emisión de compuestos volátiles a la atmósfera. Sin embargo, no todos los hidrocarburos son degradados con la misma velocidad o con la misma eficiencia; los hidrocarburos aromáticos policíclicos (o PHA‘s por sus siglas en inglés), comúnmente presentes en crudos extrapesados, muy similares a las borras, usualmente son recalcitrantes, potencialmente bioacumulables y altamente carcinogénicos, lo que implica que su degradación por biorremediación no es fácil y debe hacerse con cuidado. Incineración. La incineración es el método de tratamiento de los residuos más
antiguo; tiene como principio la combustión controlada de los residuos,
transformándolos en materiales no combustibles, inodoros, homogéneos e inertes.
2 Suarez, Desarrollo de un método químico para recuperación de crudo a partir de las borras
generadas en los procesos de mantenimiento de tanques y tuberías en distritos de producción petroleros de Colombia. Bogotá, Universidad Nacional de Colombia. 2011. Pág 9-10
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19
La incineración consiste en la oxidación exotérmica rápida de los compuestos
combustibles. A través de este método se reduce el volumen de los residuos, pero
se generan emisiones; los costos de capital, operación y mantenimiento son altos;
requiere personal de operación calificado y requiere control de emisiones
gaseosas. Las temperaturas que se manejan en los incineradores pueden estar
cercanas a los 800°C. Es necesaria la inyección de oxígeno para combustión
completa, para lo cual es necesario realizar análisis elementales de la
composición, para estimar los requerimientos teóricos del aire y oxígeno. Dentro
de los incineradores, el más usado, es el incinerador de pisos múltiple, por ser
durable, de operación simple, y puede manejar cargas de cantidad y calidad
variables. Otro tipo de incinerador común, es el de lecho fluidizado que es un
depósito vertical cilíndrico de acero revestido con material refractario, que contiene
un lecho de arena y orificios para alimentar aire para la producción y
mantenimiento de combustión continua.
2.1.3. Recebo común
Es un material compuesto por diversos elementos, principalmente pétreos de
tamaños diversos proceden de la fragmentación natural o artificial de la roca.
(Principalmente ígneas)
Este material se usa extendiéndose sobre el firme de una carretera para igualarlo
y consolidarlo, Se emplea para el diseño de caminos de bajo volumen de tránsito,
principalmente vías rurales, esta capa se compacta de forma manual o mecánica
sobre la capa de subrasante o suelo.
Las especificaciones técnicas de este material son inferiores a sub bases
seleccionadas como la tipo IDU B-200, teniendo una resistencia según el ensayo
de CBR del material, correspondiente a una compactación del 95% de la máxima
del Proctor Modificado como mínimo del 10% mínimo y un índice de plasticidad
menor al 12%.
2.1.4. Ensayo de Proctor modificado de laboratorio
El ensayo de compactación Proctor es uno de los más importantes procedimientos
de estudio y control de calidad de la compactación de un terreno. A través de él es
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posible determinar la compactación máxima de un terreno en relación con su
grado de humedad, condición que optimiza el inicio de la obra con relación al
costo y el desarrollo estructural e hidráulico.
Existen dos tipos de ensayo Proctor normalizados; el "Ensayo Proctor Normal", y
el "Ensayo Proctor Modificado". La diferencia entre ambos estriba en la distinta
energía utilizada, debido a una mayor masa del pisón y mayor altura de caída en
el Proctor modificado.
Ambos ensayos se deben al ingeniero que les da nombre, Ralph R. Proctor
(1933), y determinan la máxima densidad que es posible alcanzar para suelos o
áridos, en unas determinadas condiciones de humedad, con la condición de que
no tengan excesivo porcentaje de finos, pues la prueba Proctor está limitada a los
suelos que pasen totalmente por la malla No 4, o que tengan un retenido máximo
del 10 % en esta malla, pero que pase (dicho retenido) totalmente por la malla
3/8”. Cuando el material tenga retenido en la malla 3/8” deberá determinarse la
humedad óptima y el peso volumétrico seco máximo con la prueba de Proctor
estándar.
El ensayo consiste en compactar una porción de suelo en un cilindro con volumen
conocido, haciéndose variar la humedad para obtener el punto de compactación
máxima en el cual se obtiene la humedad óptima de compactación. El ensayo
puede ser realizado en tres niveles de energía de compactación, conforme las
especificaciones de la obra: normal, intermedia y modificada.
El Grado de compactación de un terreno se expresa en porcentaje respecto al
ensayo Proctor; es decir, una compactación del 85% de Proctor Normal quiere
decir que se alcanza el 85% de la máxima densidad posible para ese terreno.3
En Colombia el ensayo de proctor modificado está regulado por la norma invias,
INV-E 142-13 “Relaciones de humedad – masa unitaria seca en los suelos
(ensayo modificado de compactación)” Estos métodos de ensayo se emplean para
determinar la relación entre la humedad y la masa unitaria de los suelos
compactados en un molde de un tamaño dado con un martillo de 4.54 Kg. (10 lb)
3 Rondón y Reyes. Pavimentos materiales, construcción y diseño. Bogotá, ECOE ediciones. 2015. Pág 341
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21
que cae desde una altura de 457 mm (18"). Se han previsto cuatro procedimientos
alternativos en la siguiente forma:
Método A – Un molde de diámetro 101.6 mm (4"): material de un suelo que pasa el
tamiz de 4.75 mm (No.4) (Secciones 3 y 4)
Método B – Un molde de diámetro 152.4 mm (6"): material de suelo que pasa
tamiz de 4.75 mm (No.4) (Secciones 5 y 6).
Método C – Un molde de diámetro 101.6 mm (4"): material de suelo que pasa el
tamiz de 19.0 mm (3/4") (Secciones 7 y 8)
Método D – Un molde de diámetro 152.4 mm (6")4
Este ensayo nos permitirá conocer las siguientes propiedades del material.
Humedad óptima – Cuando la masa unitaria y las correspondientes
humedades para el suelo han sido determinadas y dibujadas para
conformar una curva, el contenido de humedad que corresponda al pico de
la curva, se llamará “humedad óptima” del suelo bajo la compactación
mencionada atrás.
Masa unitaria seca máxima – La masa unitaria del suelo secado al horno en
Kg./m³, correspondiente al contenido óptimo de humedad, bajo la
compactación mencionada arriba, se llamará “masa unitario seca máxima”.5
2.1.5. Ensayo de CBR de Laboratorio
Esta norma describe el procedimiento de ensayo para la determinación de un
índice de resistencia de los suelos denominado relación de soporte de California ,
que es muy conocido debido a su origen, como CBR (California Bearing Ratio).
Ensayo desarrollado por Standon y Porter en 1929. En Colombia este ensayo se
ejecuta siguiendo los lineamientos especificados por la norma Invias INV- E-148-
13 y basado en AASHTO 193-72. El ensayo determina como parámetro mecánico
el CBR, el cual es utilizado ampliamente en el diseño de pavimentos flexibles.
CBR se expresa en porcentaje. En el laboratorio, sobre muestras inalteradas de
suelo de subrasante o sobre suelos compactados previamente en un molde, un
4 • INV – E -142 – 2013.Relaciones de húmeda-Peso unitario seco en los suelos ensayo modificado de
compactación.
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22
vástago de 19.40 cm2 de área penetra dicho suelo con una velocidad y presión
controlada. Durante la penetración se anota el desplazamiento que experimenta la
muestra ensayada y la carga necesaria para obtener dicho desplazamiento.
Matemáticamente, el CBR se expresa como la relación porcentual entra las
presiones necesarias para penetrar el vástago 0.1 (q 0.1) y 0.2 (q 0.2) pulgadas y el
desplazamiento de 0.1 y 0.2 pulgadas, dividido entre la misma relación que
experimenta una muestra patrón de material granular que es considerado como
bueno a excelente para conformar bases granulares no tratadas. Debido a que la
penetración del suelo en el ensayo se ejecuta distribuyendo una carga sobre un
vástago de área pequeña, este ensayo es usado por lo general en pavimentos
flexibles en donde la carga es casi de tipo puntual cuando se induce sobre la
subrasante.
Tabla 2. Valores de presión y penetración de la muestra patrón
Penetración (“) Presión (psi)
0.1 1000
0.2 1500
0.3 1900
0.4 2300
0.5 2600
Este método de ensayo está proyectado, aunque no limitado, para la evaluación
de la resistencia de materiales cohesivos que contengan tamaños máximos de
partículas de menos de 19 mm (3/4”).6
Ensayo destinado a estimar la capacidad de carga de un suelo bajo las ruedas, es
decir, su aptitud para soportar en una determinada estructura de a carretera las
cargas móviles que deberán recorrerla.7
6 INV - E - 148 – 2013. CBR. de suelos compactados en el laboratorio.
7 Rondón y Reyes. Pavimentos materiales, construcción y diseño. Bogotá, ECOE ediciones. 2015. Pág 348-
351
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23
2.1.6. Lecho de secado
El lecho de secado es una de los tratamientos de mitigación ambiental para tratar
los residuos de la producción petrolera. Son una de las soluciones más adecuadas
para el desaguado de plantas de tratamiento debido a su simplicidad y bajo costo.
Para tratamiento de La deshidratación es una operación unitaria física (Mecánica)
utilizada para reducir el contenido de humedad generalmente de los lodos
digeridos. El lodo se deshidrata la mayor parte por drenaje a través de la arena, y
por evaporación desde la superficie expuesta al aire.
El contenido de humedad después de 15 días en condiciones favorables es del
orden del 60 %.
La operación del secado natural empieza con la descarga de las borras
almacenadas en un tanque, recipiente de proceso o similar. El lodo que sale es
ubicado junto al fondo, pues es aquel que presenta el más alto grado de
estabilización sin producir gases.
Como consecuencia de la presión hidrostática a la cual está sujeta en el fondo, el
agua intersticial del borras está saturada de gases. Cuando este borras es
transferido en un recipiente a la presión atmosférica, los gases tienen su
solubilidad disminuida desprendiéndose bajo la forma de burbujas.
Cuando las borras son distribuidas sobre una superficie permeable, arena por
ejemplo, la camada de agua relativamente clara que queda debajo del lodo drena
con facilidad, hasta que la parte concentrada de sólidos se deposita sobre la
arena. La mayor parte de esa agua puede así ser removida.
Pasado este breve período de drenaje el secado sigue a través de la evaporación.
Se forma una camada cada vez más pobre en agua, pasando a encoger no solo
verticalmente sino también en la horizontal.
El tiempo para el secado completo caría con las condiciones climáticas y
meteorológicas. Experiencias efectuadas en una planta de tratamiento de Río de
Janeiro demostraron que este tiempo puede ser considerado entre 15 y 25 días.
Incluyéndose el tiempo necesario para la remoción del lodo seco del lecho.
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24
Figura 2. Diseño típico lecho de secado.8
El lecho de secado se construye como una piscina en concreto en la cual se
adicionan diferentes materiales filtrantes según una especificación establecida, y
materiales geosintéticos que mejoran el comportamiento del mismo.
Adicionalmente se debe dejar de tubería perforada en su fondo para drenar las
aguas que se infiltran, estas se deben disponer en espina de pescado y conducir a
la red de aguas aceitosas.
La granulometría recomendada que se debe implementar para la construcción del
material filtrante será:
Tabla 3. Granulometría para material filtrante del lecho de secado
GRANULOMETRIA PARA ARENAS
TAMIZ No % QUE PASA MEDIDO EN PESO
ARENA GRUESA ARENA FINA
3/8” 100 100
No 4 80-100 100
No 16 50-85 90-100
8 Diseño típico construcción en campos de petróleo. Ingeniería detallada estación Yenac ampliación a
70KBFPD.
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25
No 30 25-60 60-90
No 50 20-30 30-60
No 100 0-15 5-30
No 200 - 0-15
Estos lechos de secado clasificaran el área como explosiva debido a los vapores
que se puedan emitir a la atmosfera.
El borras es aplicado en camadas de 20 hasta 30 cm de espesor. Más de esto
dificulta el secado. No se debe esparcir borras en un lecho que ya contenga una
carga anterior en fase de secado.
El secado del borras en los lechos como los descritos reduce la humedad de 90 a
95% hasta alrededor de 50 a 60% dependiendo la cantidad de agua que estas
contengan.9
2.1.7. Gravedad especifica en grados Baume o grados API
La temperatura de referencia para mediciones de gravedad especifica en la escala
Baumé o del american perolewm institute (API), es de 60 °F en lugar de 4°C, como
se había definido en un principio. Para recalcar la diferencia es frecuente que la
gravedad especifica Baume o API se exprese como gravedad especifica de la
siguiente manera.
Gravedad especifica 60°
60° F.
Esta notación indica que tanto el fluido de referencia (agua) como el aceite están a
60 °F. La gravedad específica del petróleo crudo de tipo distinto varía mucho en
función del sitio donde se localicen. Aquellas que provienen de las cuencas en el
oeste de estados Unidos varían entre 0.87 y 0.92, aproximadamente. Los campos
petrolíferos del este de dicho país producen aceite cuya gravedad específica es
9 HESS LOTHAR, Max, Acondicionamiento y desaguado - Filtraciones al vacío - Filtros prensa - Lechos de
secado. Companhia Estadual de tecnología de Saneamento Básico e de Defensa do Medio Ambiente (CETESB). Sao Pablo-Brasil, 2007. Capítulo 8
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26
alrededor de 0.82. La de crudo mexicano está entre la más elevada, con 0.97.
Unos cuantos aceites asfalticos pesados tienen sg > 1.
La mayor parte de los aceites se destilan antes de usarlos, a fin de manejar la
calidad de la combustión. La gasolina, kerosenos y combustible resultante tienen
gravedades específicas que varían entre 0.67 y 0.98.
La ecuación que se emplea para calcular la gravedad especifica cuando se
conoce los grados aumenta es diferente, una es para fluidos más ligeros que el
agua y otra para los más pesados que ella.
𝑠𝑔 =145
(145 − 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑏𝑎ℎ𝑢𝑚𝑒
Con esto, para calcular los grados baume para una gravedad especifica dada, se
maneja la ecuación.
𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝐵𝑎𝑢𝑚𝑒 = 145 − 145
𝑠𝑔
Para líquidos más ligeros que el agua utilizamos esta otra.
𝑠𝑔 =140
130 + 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑏𝑎𝑢𝑚𝑒.
𝐺𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑏𝑎ℎ𝑢𝑚𝑒 = 140
𝑠𝑔− 130
Para líquidos más ligeros que el agua, el API desarrolló una escala un poco
diferente a partir de la escala bahume. Las formulas son
𝑠𝑔 =141.5
131.5 + 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑎𝑝𝑖
𝐺𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝐴𝑃𝐼 =141.5
131𝑠𝑔. 5− 131.51
Los grados API de los aceites varían de 10 a 80. Los de la mayoría de los aceites
estarán en el rango de 20 a 70 API, que corresponden a gravedades específicas
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de 0.93 a 0.70. Observe que los aceites pesados tienen los valores más bajos de
grados API.
2.2 MARCO NORMATIVO.
Análisis granulométrico del agregado fino - NTC 77 – 2007.
Masas unitarias - NTC 92 – 1995.
Humedad natural NTC - 1495 – 2013.
Resistencia de agregados a la degradación por abrasión en el micro-deval. INVIAS E - 245 – 2013
Densidad y absorcion del agregado fino - Norma NTC 237 – 1995.
Gravedad específica y absorción de agregados finos. Norma I.N.V. E – 222
Contenido de vacíos en agregados finos no compactados. Norma I.N.V. E - 239 MÉTODO A.
Determinación del contenido orgánico de un suelo mediante el ensayo de pérdida por ignición. Norma I.N.V. E - 121 – 2013.
Equivalente de arena de suelos y agregados finos INV E - 133 – 2013.
Análisis por tamizado de los agregados finos y gruesos. NTC - 77 - 2007 Y NTC - 78 – 1995.
Humedad Natural NTC - 1495 – 2013.
Relaciones de húmeda-Peso unitario seco en los suelos ensayo modificado de compactación INV – E -142 – 2013.
CBR. de suelos compactados en el laboratorio INV - E - 148 – 2013.
Determinación del límite líquido, limite plástico e índice de plasticidad NTC- 4630 - 1999 método A.
Análisis por tamizado de los agregados finos y gruesos. NTC - 77 - 2007 y NTC - 78 – 1995.
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Desgaste en la máquina de los ángeles. NTC 98 – 2012.
Humedad natural. NTC - 1495 - 2013
Relaciones humedad - peso unitario seco en los suelos ensayo modificado de compactación método C. INV - E - 142 – 2013.
Resolución No. 0631 17 Marzo 2015. Por el cual se establecen los párametros y los valores límites máximos permisibles en los vertimientos puntuales a cuerpos de agua superficiales y a los sistemas de alcantarillado público y se dictan otras disposiciones.
DECRETO 4741 DE 2005. Por el cual se reglamenta parcialmente la prevención y el manejo de los residuos o desechos peligrosos generados en el marco de la gestión integral.
DECRETO 1594 DE 1984. Por el cual se reglamenta parcialmente el Título I de la Ley 09 de 1979, así como el Capítulo II del Título VI - Parte III - Libro II y el Título III de la Parte III Libro I del Decreto 2811 de 1974 en cuanto a usos del agua y residuos líquidos.
2.3 MARCO GEOGRAFICO
La zona de extracción petróleo en los llanos orientales de Colombia, se caracteriza
por tener yacimientos de crudo pesado y liviano, con pozos que tienen en
ocasiones depósitos de gas.
Las vías de acceso en esta zona del país son escasas, teniendo asi que la
mayoría de carreteras que comunican los diferentes campos petroleros, son
elaboradas en afirmado ya que todas provienen de financiación privada por parte
de las operadoras. Podemos encontrar vías de primer y segundo orden que unen
las principales centros urbanos del departamento las cuales están pavimentadas y
se les realiza un mantenimiento permanente especialmente la Marginal de la
selva. Vía nacional de primer orden que comunica las ciudades de Villavicencio
con Yopal.
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Figura 3. Vías pavimentadas departamento del Casanare
En este municipio podemos ver por varias situaciones socio económicas que la
infraestructura vial ha crecido en los últimos años beneficiando a los principales
centros urbanos sin embargo, no se ha desarrollado como se esperaría.
Las vías temporales que comunican los diferentes campos petroleros de la región
son principalmente de materiales de baja calidad o de préstamos laterales en
suelos en los que predominan las arcillas y la mayoría del año los niveles freáticos
están entre 1-4 metros de profundidad.
La topografía de la región predominan bastas extensiones de llano con un
cantidad elevada de afluentes hídricos. Por tal motivo los diseños de las vías se
realizan en terraplenes de material común seleccionado o de agregados pétreos
de canto rodado extraídos de los ríos cercanos a los lugares donde se desarrollan
los diferentes proyectos.
Por tal motivo se tiene un problema grave de contaminación por materiales
partículas en las épocas del año es donde la lluvia escasea y las diferentes obras
con los materiales anteriormente mencionados pierden humedad y por el transito
normal, empiezan a desprender sus partículas más finas al aire contaminando la
vegetación cercana a las vías y afectando a las personas que residen al lado de
estas carreteras.
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Figura 4. Material particulado en vía temporal a campo petrolero
El área de interés de esta investigación se centra en los campos petrolíferos del
departamento del Casanare. Como se muestra a continuación.
Figura 5. Mapa de infraestructura petrolera Casanare ANH 2015
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2.4 GLOSARIO
ACEITE CRUDO: Aceite que proviene de un yacimiento, después de separarle cualquier gas asociado y procesado en una refinería; a menudo se le conoce como crudo.
API: American Petroleum Institute.
BORRAS PETROLERAS: Residuos del proceso de extracción y producción del crudo en forma de sólidos sedimentables contenidos en el aceite.
CONTAMINACIÓN: presencia en el ambiente de una o más sustancias contaminadas que cause desequilibrio ecológico.
DUCTO: Tubería para el transporte de crudo o gas natural entre dos puntos geográficos, ya sea tierra adentro o tierra afuera.
GRADO API: Gravedad especifica del crudo según la clasificación API.
IMPACTO AMBIENTAL: es el efecto que produce la actividad humana sobre el medio ambiente. El concepto puede extenderse a los efectos de un fenómeno natural catastrófico. Técnicamente, es la alteración de la línea de base ambiental.
LODOS ACEITOSOS: desechos pastosos con contenido de hidrocarburos, como: solidos congénitos del crudo, hidrocarburos impregnados al suelo, sedimentos de sistemas de contención de hidrocarburos (Tanques, fosas, presas, etc)
LIXIVIADOS: líquido resultante de un proceso de percolación de un fluido a través de un sólido. El lixiviado generalmente arrastra gran cantidad de los compuestos presentes en el sólido que atraviesa.
RECICLADO: consiste en la reutilización, generalmente luego de cierto tratamiento, de un material del pavimento que ha cumplido su finalidad inicial, el cual se emplea para construir una nueva capa en la misma o en otra carretera.
RESIDUOS PELIGROSOS: Elementos o sustancias que se abandonan, botan, desechan, descartan o rechazan, que poseen características patógenas, toxicas, combustibles, inflamables, explosivas, radioactivas o volátiles; y los empaques y envases que los hayan contenido, como también lodos, cenizas y similares.
TRATAMIENTO: Transformación física o química de los residuos, con el objetivo de eliminar o minimizar riesgos a la salud y al medio ambiente.
YACIMIENTO PETROLÍFERO: es una acumulación natural de hidrocarburos en el subsuelo, contenidos en rocas porosas o fracturadas (roca almacén). Los hidrocarburos naturales, como el petróleo crudo y el gas natural, son retenidos por formaciones de rocas suprayacentes con baja permeabilidad.
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3 METODOLOGÍA.
El trabajo de grado para su ejecución se basó en el seguimiento de unas
actividades ordenadas en diferentes fases, de tal manera que se asegurara una
correcta ejecución de las labores y así la obtención de los resultados esperados.
La metodología de desarrollo se encuentra dividida en tres grupos, el primero hace
parte de la obtención de los insumos de trabajo junto con su caracterización, la
segunda parte de la obtención de las mezclas y los ensayos de resistencia del
material y por ultimo hace referencia al análisis de los resultados.
3.1 Primer capítulo. Obtención de materias primas.
Este primer capítulo está enmarcado en la primera etapa del proyecto donde se
conseguirán todos los materiales necesarios para el trabajo los cuales costa de
muestras de borras traída desde campos petroleros de los llanos orientales más
específicamente de los campos ubicados cerca a Villanueva-Casanare.
3.2 Segundo capitulo. Deshidratación y secado del Borras.
El segundo capítulo estará encargado de procesar las borras, deshidratándolas y
evaporando sus volátiles decidiendo la forma más eficiente económicamente y
funcionalmente hablando. Llevando el proceso escogido a ejecución y tomando
registro detallado del proceso.
Este proceso se refiere a poner a drenar las borras en un lecho de secado a
escala para facilitar la evaporación de los volátiles y la infiltración del agua,
acelerando así su proceso de curado cuando se mezcle con el material granular.
En el Capítulo 4.1.1 se describe por que se eligió este método.
3.3 Tercer capítulo. Caracterización de los materiales.
Se tienen ensayos que caracterizan algunos parámetros físicos de las Borras,
como su densidad, su viscosidad, su gravedad API, punto de inflamación punto
de combustión. Siguiendo estándares de seguridad, teniendo en cuenta que el
Borras es un hidrocarburo sin procesar completamente y posee cadenas livianas
incluso gas que lo hacen explosivo e inflamable.
Por otro lado se realizara una caracterización de un recebo con un CBR no muy
alto determinando sus características físicas mediante ensayos de laboratorio
como Contenido de materia orgánica, contenido de humedad natural, análisis
granulométrico, resistencia al desgaste, equivalente de arena, densidad y
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humedad óptima método proctor modificado, gravedad específica y ensayo CBR
de laboratorio.
Teniendo los datos de humedad óptima del material se procederá a realizar
mezclas entre Borras extraído del lecho de secado, agua y material granular
teniendo en cuenta que la sumatoria de agua y borras no superara el porcentaje
de humedad optima obtenida por el ensayo de proctor modificado.
3.4 Cuarto capítulo. Definición de proporciones para elaboración de la
mezcla Recebo más Borras
Se obtendrán los porcentajes para realizar las mezclas obteniendo el porcentaje
óptimo de borras mediante un ensayo de proctor modificado.
3.5 Quinto capítulo. Ensayos de CBR
En la segunda parte del desarrollo del trabajo, se realizará ensayo CBR de
laboratorio a las mezclas anteriormente formadas y se obtendrán los resultados
los cuales se compararan con el material compactado con la humedad óptima,
para establecer conclusiones.
3.6 Tratamiento especial borras
Debido a que las borras son un material cuya cadena de custodia es difícil de
manejar y que se tiene una cantidad de muestra limitada, se deberá tener en
cuenta que los testigos a realizar no podrán sobrepasar una cantidad calculada y
en común acuerdo con el tutor de este trabajo de grado.
Además al ser un desecho de los hidrocarburos sin tratamiento se debe tener
especial cuidado al manipular el material, siempre siguiendo las normas de
seguridad industrial, el uso de los EPP y la disposición adecuada de los residuos
que del trabajo con este material se desechen.
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4 PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS
4.1 LECHO DE SECADO A ESCALA
4.1.1. Elección Sistema de Deshidratación y Desvolatilización de la Muestra
de Borras.
Para eliminar los volátiles que pudieran contener las muestras de borras y su
humedad se evaluaron varias posibilidades:
4.1.1.1 Primera: realizar una separación por medio de laboratorios de
hidrocarburos para eliminar el agua de la muestra y determinar las propiedades
químicas de la misma, esta posibilidad se descartó por la falta de equipos
necesarios para realizar esta actividad y los elevados costos de estos ensayos.
4.1.1.2 Segunda: mezclar las borras con el recebo en determinadas
proporciones y dejarlo en patios de curado en los cuales periódicamente se le
daría vueltas mecánicas para tratar de homogeneizar el secado de la mezcla.
Estos patios de secado deberían estar protegidos de la lluvia y para determinar si
el proceso estaba terminado se debería realizar pruebas de resistencia,
viscosidad, contenido de agua, a diferentes edades y llevar el registro para saber o
estimar la duración estimada del secado da las borras.
Esta opción requería de una logística grande, elevando los costos del proyecto,
además de un tiempo de trabajo incierto ya que nunca se habían hecho pruebas
de esta manera.
Por otro lado la eficiencia de este procedimiento no era completamente segura ya
que el agua que se evaporaría estaría dada por las condiciones climáticas y no
resolvería en plenitud el evaporamiento de los volátiles. Ya que se trabajaría a una
temperatura y presión ambiental, cuya temperatura en Bogotá no sobrepasa los
28°C. Por tal motivo la energía necesaria para curar la mezcla tardaría mucho
tiempo en completarse.
Además la evaporación de los hidrocarburos livianos está en función de la
temperatura y presión. No tanto del tiempo que por este método hubiera sido
extremadamente largo.
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4.1.1.3 Tercera: Poner el borras mezclado con recebo o puro en el horno
110°C para acelerar el proceso de perdida de volátiles. Como la muestra de borras
corresponde a crudo sin procesar se tenían muchos riesgos inherentes, como lo
son contenidos de gases inflamables, cadenas de hidrocarburos livianas
combustibles además de un punto de inflamabilidad bajo lo cual podría producir
una explosión en los equipos o en las instalaciones. Por tal motivo y por temas de
seguridad en el laboratorio se descartó esta opción.
4.1.1.4 Cuarta: Realizar un lecho de secado a una escala menor que los
construidos en campo. Fue la elegida por varias razones. Es fácil y económico de
elaborar. Se podía llevar control diario del proceso. Nos ayudaríamos del aire de
un espacio techado de un tamaño pequeño, como también de la infiltración del
agua en el material granular para eliminar la humedad de la muestra acelerando el
proceso respecto de la opción. Es el tratamiento que hoy en día se maneja EN
campo para este tipo de residuos, por ende si el proyecto se logra llevar a mayor
escala seria como se encontrarían las borras y no se daría ningún otro proceso
adicional para utilizar las mismas.
4.1.2. Construcción del Lecho de Secado a Escala
El sistema elegido para la deshidratación y desvolatilización de las borras fue el
lecho de secado. Por tal motivo se decidió realizar una estructura a escala para
realizar el trabajo ya que por la cantidad de muestra no ameritaba un mayor
esfuerzo en construcción.
Por tal motivo se siguieron los pasos de diseño de un lecho de secado pero
asumiendo un volumen menor de borras a disponer.
Se calculó de esta forma unas dimensiones y con los factores conocidos del
borras para el diseño de lechos de secado en campo se procedió a calcular el
tiempo de secado en días.
Tabla 4. Memoria de cálculo tiempo de secado borras
Geometría de la cama de secado
Longitud 40 cm Ancho 28 cm Alto 20 cm
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36
Área del lecho 1120 cm2 Profundidad de borra aplicada 2.5 cm
Volumen de borra aplicada 2800 cm3 Volumen del lecho 25200 cm3
Tiempo de secado requerido
H=Profundidad a la cual se aplica el lodo 2.5 cm
So=Aceites iniciales,% 81% %
a=Corrección de la tasa de evaporación para borras 0.85
E=Tasa de evaporación 0.5 cm/mes
b=fracción de agua absorbida por el lodo 0.22
R=Lluvia durante el mes húmedo 0 cm/mes
S1=Volumen después de td días % 85% %
S2=Contenido final % 98% %
td=Tiempo en el cual el drenado es significante 3 días
Tiempo de secado en días 25 días
Luego de calcular un tiempo óptimo de secado, se procedió a la construcción del
mismo. Para lo cual se tomaron en cuenta los diseños de campo y se adaptaron
dando una escala menor y utilizando materiales menos resistentes pues las
fuerzas y los esfuerzos a los que estaría sometido serían mucho menores.
Se eligió el plástico como material para la estructura del lecho de secado cuyas
paredes fueran transparentes para realizar un seguimiento del proceso de
infiltración del agua.
Para obtener el filtrado del agua se realizaron aberturas en el fondo del recipiente
las cuales reposaban sobre otro recipiente de plástico que sería el encargado de
almacenar la posible agua que se infiltrara hasta abajo, ya que solo se usaría una
vez este lecho la probabilidad que esto sucediera por experiencia seria baja.
𝑇 =30 ∗ 𝐻 ∗ 𝑆𝑜
𝑎𝐸 − 𝑏𝑅∗ (
1
𝑆1−
1
𝑆2) + 𝑡𝑑
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37
Se utilizó una arena con una granulometría parecida a la recomendada para
lechos de secado trabajando con tamaños nominales inferiores al tamiz No 4.
Figura 6. Granulometría de la arena del lecho de secado
De la cual se tamizo con dividiendo el material en dos dimensiones diferentes, se
realizaron dos aberturas para la circulación del aire y se tapó para evitar que le
cayera agua a su superficie.
Figura 7. Lecho de secado recién construido
Después de tener las capas de material granular dispuestas en el recipiente se le
dio una pendiente pequeña al material, para ayudar con el drenado del agua. Así
mejorar la infiltración y acelerar el proceso de infiltración del agua contenida en la
muestra de borras.
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Se dispuso una capa de 2.5cm de borras inmediatamente después de la capa más
fina de arena, se nivelo el recipiente del lecho de secado y por último se ubicó
encima del recipiente azul quien sería el encargado de recibir todos los lixiviados y
líquidos resultantes del infiltrado del borras.
Figura 8. Lecho de secado día 0. Un minuto después de adicionar las borras
Figura 9. Tapado del lecho de secado con dos aberturas laterales para circulación de aire
4.1.3. Evolución del lecho de secado
El día de construcción del lecho de secado fue el 9 de Agosto de 2015. Luego de
su elaboración se procedió a depositar la muestra de borras.
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Para llevar un control de la infiltración y la evaporación de los volátiles se realizó
un registro fotográfico del mismo y a través de las paredes translucidas del
recipiente se iba observando los porcentajes de Borras que se infiltraban,
evaporaban como el porcentaje de agua infiltrada. Esto midiendo los espesores
visibles y calculando los porcentajes de infiltración.
A continuación se muestra una evolución general del lecho de secado.
Figura 10. Evolución del lecho de secado
Como se puede observar el funcionamiento del lecho de secado es evidente.
Siguiendo el procedimiento de control descrito se realizó una tabla con los valores
de porcentajes de Agua y Borras infiltrados respecto al volumen inicial.
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Figura 11. Estado final lechos de secado. 7 de septiembre de 2015 Día 30
A continuación se muestran el resultado del control de registro fotográfico.
Tabla 5. Evolución del lecho de secado
Porcentaje agua perdida leho de secado
09-Ago 10-Ago 15-Ago 20-Ago 25-Ago 30-Ago 04-Sept
Borras 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2 2
Agua 0 0.4 0.6 0.68 0.75 0.8 0.8
Aceites livianos 0 0.2 0.4 0.48 0.55 0.6 0.6
% Borras superficial 100% 96% 92% 88% 84% 80% 80%
% Agua infiltrada 0% 17% 26% 31% 36% 40% 40%
% Borras infiltrado 0% 8% 17% 22% 26% 30% 30%
De los datos anteriormente relacionados se realizó la gráfica que muestra el
comportamiento de la infiltración en el lecho de secado a escala.
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41
Tabla 6. Evolución infiltración lecho de secado
4.1.4. Retiro de borras del lecho de secado.
Se acordó retirar las borras del lecho de secado en el día 30. El proceso se realizó
por medio de succión con jeringas de la capa más superficial hasta donde la
viscosidad les borras más denso lo permitió. Se observó que el la capa que estaba
en contacto con el aire se había formado una nata con características plásticas
Figura 12. Debajo de la cual se tenía un material más líquido sin embargo con una
viscosidad aparente, mayor a la muestra inicialmente vertida en el lecho de
secado.
Figura 12. Retiro de borras luego de 30 días de secado
0%
20%
40%
60%
80%
100%
9/8 14/8 19/8 24/8 29/8 3/9
Po
rce
nta
je o
bse
rvab
le
Fecha
Evolución infiltración Lecho de secado
% Borras superficial
% Agua infiltrada
% Borras infiltrado
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42
Este producto retirado con la jeringa se dispuso en un recipiente plástico de 2.5
litros para poder transportar la muestra del lugar donde se estaba secando hasta
el laboratorio como se aprecia en la Figura 13
Figura 13. Borras finales luego del secado
Adicionalmente la capa de arena fina que tenía contacto directo con las borras
formo una especie de costra la cual fue retirada con una espátula plástica, este
capa de arena de alrededor de 4mm se pudo observar que tenía propiedades
ligantes entre los gránulos. Esto se muestra en la Figura 14 a continuación:
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43
Figura 14. Capa con propiedades plásticas encontrada en el lecho de secado.
La muestra de borras extraída al principio fue la utilizada para realizar las mezclas
con el recebo y con las que se realizó posteriormente los ensayos de CBR. Esto
debido a que el compuesto más viscoso y denso no tenía una cantidad
representativa como para realizar ensayos de proctor y CBR los cuales requieren
una gran cantidad de material respecto al obtenido en el lecho de secado a escala.
4.2 CARACTERIZACION DEL BORRAS
4.2.1. Obtención Borras
Las borras fueron suministradas por una operadora de petróleo que se ubica sus
trabajos en el departamento de Casanare. Esta muestra tenía un volumen
aproximado de 1 gal, la cual fue extraída del tanque conocido como
DECANTADOR.
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44
Figura 15. Galón de borras
El recipiente cumple con todas las exigencias de seguridad industrial y estaba
debidamente sellado. La muestra fue enviada desde campo en transporte
especializado y fue entregada en las instalaciones de Bogotá. En las cuales se
transfirió la custodia y se llevaron al laboratorio para iniciar pruebas.
4.2.2. Clasificación de las borras como residuo o desecho peligroso.
Según el decreto • DECRETO 4741 DE 2005. Por el cual se reglamenta
parcialmente la prevención y el manejo de los residuos o desechos peligrosos
generados en el marco de la gestión integral. En su capítulo II. Artículo 5º.
CLASIFICACIÓN DE LOS RESIDUOS O DESECHOS PELIGROSOS. Los
residuos o desechos incluidos en el Anexo I y Anexo II del presente decreto se
considerarán peligrosos a menos que no presenten ninguna de las características
de peligrosidad descritas en el Anexo III.
El generador podrá demostrar ante la autoridad ambiental que sus residuos no
presentan ninguna característica de peligrosidad, para lo cual deberá efectuar la
caracterización físico-química de sus residuos o desechos. Para tal efecto, el
generador podrá proponer a la autoridad ambiental los análisis de caracterización
de peligrosidad a realizar, sobre la base del conocimiento de sus residuos y de los
procesos que los generan, sin perjuicio de lo cual, la autoridad ambiental podrá
exigir análisis adicionales o diferentes a los propuestos por el generador.
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Al remitirse al ANEXO I. LISTA DE RESIDUOS O DESECHOS PELIGROSOS
POR PROCESOS O ACTIVIDADES. Encontramos que las borras al ser un
residuo industrial del proceso de obtención separación y venta de hidrocarburos, lo
podemos clasificar como:
Y9. Mezclas y emulsiones de desechos de aceite y agua o de hidrocarburos y
agua.10
4.2.3. Propiedades físicas de las borras.
Para conocer las propiedades del borras contamos con el apoyo de la empresa
operadora en el campo para suministrarnos los datos de los laboratorios
desarrollados en la muestras de borras. Estas propiedades físicas se encuentran
relacionadas a continuación.
Tabla 7. Análisis físico de las Borras11
ANALISIS FISICO DEL BORRAS
TEST NAME AND NUMBER UNIT RESULT
Gravity API @ 60 ºF (seco) ASTM D-1298
22,3
Water and sediment ASTM D-4007 vol% 1,0
Sulphur X-ray ASTM D-4294 wt% 1,82
Flash Point ASTM D-92 ºC 81
Vanadium ASTM D-
5863A ppm 358
Nickel ASTM D-
5863A ppm 74
Ash ASTM D-482 wt% 0,064
Pour Point ASTM D-97 ºC -18
Salt content ASTM D-3230 PTB 6,8
Viscosity @ 100ºF ASTM D-445 cP 435,3
Viscosity @ 120ºF ASTM D-445 cP 209,5
Viscosity @ 160ºF ASTM D-445 cP 73,44
Viscosity @ 180ºF ASTM D-445 cP 40,29
Viscosity @ 200ºF ASTM D-445 cP 28,52
Viscosity @ 220ºF ASTM D-445 cP 19,71
Distillation ASTM D-86
IBP
ºF 200
5%
370
10
DECRETO 4741 DE 2005. Por el cual se reglamenta parcialmente la prevención y el manejo de los residuos o desechos peligrosos generados en el marco de la gestión integral. En su capítulo II. Artículo 5º 11
Caracterización entregada junto con la muestra de borras. Ver anexos.
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46
10%
448
20%
570
30%
640
40%
680
También se tiene un contenido de agua de las borras ensayo SBW.
Tabla 8. Contenido de agua Borras
SOLIDOS
AGUA
LIBRE
PARAFINA
SOLIDOS CRUDO
SIN TEMPERATURA 2 10 80 10
CON TEMPERATURA 3 10 80 10
CON EXCESO DE QUIMICA 3 12 80 10
4.2.4. Borras después del lecho de secado. Densidad, gravedad específica y
grado API.
Luego de retirar las borras del lecho de secado, estas se llevaron al laboratorio y
se les realizo una prueba para determinar su densidad. Su gravedad específica y
grado API. Por falta de recursos económicos y tecnológicos no se pudieron
realizar según la norma ASTM D-1298. Por tal motivo se realizó un muestreo
representativo de una prueba para hallar la densidad del material la cual consistió
en tomar varias probetas de 100 ml, llenarlas con borras y determinar su masa en
una balanza con precisión de 0.1 g. Se utilizaron cinco probetas a las cuales se les
realizo el procedimiento tres veces a cada una. Los datos se muestran en la Tabla
9. A continuación se muestra el procedimiento realizado en el laboratorio.
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47
Figura 16. Procedimiento para determinación de gravedad específica y gravedad API despues del lecho de secado.
El procedimiento anterior se realizó varias veces, obteniendo el promedio de los
datos obtuvimos una densidad de trabajo, una gravedad específica y por medio de
cálculos hallamos el grado API del borras luego de estar 30 días en el lecho de
secado. Al graficar los datos pudimos obtener un error aceptable para dicha
información la cual fue la base para la comparación de los datos iniciales y el
cálculo de la cantidad de borras empleada para la mezcla con el recebo.
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Tabla 9. Determinación de la gravedad específica, grado API muestra luego del lecho de secado
Reci
pien
te
Mue
stra
Codi
go
Peso
reci
pien
te
Vol
Reci
p. +
borr
as
Mas
a
borr
as
T (°
C)
GS
Agu
a
Des
tila
da
Den
sida
d
Borr
as
Gra
veda
d
espe
cifi
ca
Borr
as
° API
1 1 1 141.4 100 235.00 93.6 23.6 0.99745 0.936 0.9384 19.3
2 1 2 142.4 100 236.60 94.2 23.6 0.99745 0.942 0.9444 18.3
3 1 3 141.5 100 235.50 94.0 23.6 0.99745 0.94 0.9424 18.6
4 1 4 142.2 100 236.00 93.8 23.6 0.99745 0.938 0.9404 19.0
5 1 5 141.8 100 236.00 94.2 23.6 0.99745 0.942 0.9444 18.3
1 2 6 141.4 100 235.10 93.7 23.8 0.99744 0.937 0.9394 19.1
2 2 7 142.4 100 236.60 94.2 23.8 0.99744 0.942 0.9444 18.3
3 2 8 141.5 100 235.60 94.1 23.8 0.99744 0.941 0.9434 18.5
4 2 9 142.2 100 235.90 93.7 23.8 0.99744 0.937 0.9394 19.1
5 2 10 141.8 100 236.00 94.2 23.8 0.99744 0.942 0.9444 18.3
1 3 11 141.4 100 235.00 93.6 23.6 0.99745 0.936 0.9384 19.3
2 3 12 142.4 100 236.70 94.3 23.6 0.99745 0.943 0.9454 18.2
3 3 13 141.5 100 235.60 94.1 23.6 0.99745 0.941 0.9434 18.5
4 3 14 142.2 100 235.80 93.6 23.6 0.99745 0.936 0.9384 19.3
5 3 15 141.8 100 236.20 94.4 23.6 0.99745 0.944 0.9464 18.0
Promedio 0.940 0.942 18.673
Calculo de gravedad especifica y gravedad API Borras despues del lecho de secado
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Figura 17. Gráfica Grado API y Gravedad Especifica Borras
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Según los datos después de secar las borras en el lecho de secado se tienen los
siguientes resultados:
Tabla 10. Resultados Densidad, GS y grado API Borras
Propiedad Valor Error
Densidad 0.940 g/ml +/- 0.0016 g/ml
Gravedad especifica 0.942 g/ml +/- 0.0009 g/ml
Grado API 18.7 ° API +/- 1.25 °API
4.3 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL GRANULAR.
4.3.1. Obtención del material granular.
Para la obtención del recebo, se decidió conseguir un material de baja capacidad
portante, precisamente para poder ver si en combinación con el borras existe una
mejoría de sus propiedades, el material granular tipo recebo común es
suministrado por el deposito “gran surtidor de materiales” que se encuentra
ubicado en la Calle 80 # 63-17.
Figura 18. Recebo puesto en bandejas para su secado natural.
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51
En total se adquirieron 400 Kg de Recebo común, cantidad necesaria para realizar
los ensayos de caracterización del material y los ensayos de proctor con agua, con
borras además de los CBR de las mezclas del agregado pétreo con la humedad
óptima y el porcentaje óptimo de borras.
4.3.2. Ensayos de Laboratorio Material Granular.
4.3.2.1 ANÁLISIS POR TAMIZADO DE LOS AGREGADOS FINOS Y
GRUESOS NTC - 77 - 2007 Y NTC - 78 – 1995. (Ver anexo 2).
4.3.2.2 HUMEDAD NATURAL NTC - 1495 - 2013. (Ver anexo 2).
4.3.2.3 DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO ORGÁNICO DE UN SUELO
MEDIANTE EL ENSAYO DE PÉRDIDA POR IGNICIÓN NORMA I.N.V. E - 121 –
2013 (Ver anexo 2).
4.3.2.4 DETERMINACION DEL LIMITE LIQUIDO, LIMITE PLASTICO E
INDICE DE PLASTICIDAD NTC- 4630 - 1999 METODO A (Ver Anexo 2).
4.3.2.5 DESGASTE EN LA MAQUINA DE LOS ANGELES NTC 98 – 2012
(Ver anexo 2).
Tabla 11. Resumen laboratorios caracterización recebo
Ensayo Norma Resultado
Humedad natural NTC 1495-13 13.66%
Contenido orgánico INV E 121-13 3.9%
Limite líquido NTC 4630-99 34
Limite plástico NTC 4630-99 23
Índice de plasticidad NTC 4630-99 11
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Clasificación USC NTC 4630-99 GC
Clasificación AASHTO NTC 4630-99 A-2-8
Porcentaje retenido tamiz No 40 NTC 4630-99 63.86%
Perdida por lavado NTC 77-07 25%
Gradación NTC 78-95 Ver Anexo 3
Desgaste maquina ángeles NTC 98-2012 39.79%
Equivalente de arena INV E – 133 -13 17%
53
4.3.2.6 RELACIONES HUMEDAD - PESO UNITARIO SECO EN LOS SUELOS ENSAYO MODIFICADO DE
COMPACTACIÓN INV - E - 142 – 2013.
Este método de ensayo se emplea para determinar la relación entre la humedad y la masa unitaria de los suelos compactos. Tabla 12. Resultado ensayo Proctor modificado recebo más agua
Método usado C Martillo utilizado 10 lb Método preparación muestra Vía Húmeda
Punto de Compactación # 1 2 3 4
No De Golpes 56 56 56 56
Masa Inicial Muestra Húmeda por Punto (g) 5000 5000 5000 5000
Masa Muestra Húmeda + Molde + Placa Base (g) 10811 11099 11451 11395.5
Masa Molde + Placa Base (g) 7038 7038 7038 7038
Masa Muestra Húmeda (g) 3773 4061 4413 4357.5
Volumen del Molde (m3) 0.002104 0.002104 0.002104 0.002104
Densidad Húmeda (kg/m3) 1,793.25 1,930.13 2,097.43 2,071.06
Masa Platón + Muestra Húmeda (g) 525 682 482.5 604.5
Masa Platón + Muestra Seca (g) 492.96 620 424.5 518
Masa del Agua (g) 32.04 62 58 86.5
Masa del Platón (g) - - - -
Masa Material Seco (g) 492.96 620 424.5 518
Contenido de Agua (%) 6.5 10 13.66 16.7
Peso Unitario Seco (kg/m3) 1,683.8 1,754.7 1,845.3 1,774.7
Peso Unitario Seco (kN/m3) 16.51 17.21 18.1 17.4
Peso Unitario Seco (lbf/pie3) 105.12 109.54 115.2 110.79
Humedad de Saturación (%)
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54
Figura 19. Resultado Proctor modificado Recebo más agua
55
4.3.2.7 RELACION PERDIDA DE BORRAS VS DENSIDAD SECA MAS BORRAS RESTANTES. INV – E 142
– 2013.
Este ensayo se hizo particularmente para conocer el porcentaje de borras volatilizado bajo los parámetros del INV –
E 142 – 2013.
Tabla 13. Resultado proctor recebo más borras
Método usado C Martillo utilizado 10 lb Método preparación muestra Vía Húmeda
Punto de Compactación # 1 2 3 4
No De Golpes 56 56 56 56
Masa Inicial Muestra Húmeda por Punto (g) 5000 5000 5000 5000
Masa Muestra Húmeda + Molde + Placa Base (g) 10116 10275 10440 10327.5
Masa Molde + Placa Base (g) 6300 6300 6300 6300
Masa Muestra Húmeda (g) 3816 3975 4140 4027.5
Volumen del Molde (m3) 0.002125 0.002125 0.002125 0.002125
Densidad Húmeda (kg/m3) 1,795.76 1,870.59 1,948.24 1,895.29
Masa Platón + Muestra Húmeda (g) 394.29 395.5 279.1 557.5
Masa Platón + Muestra Seca (g) 387.7 387.7 271.9 535.1
Masa del Agua (g) 6.59 7.8 7.2 22.4
Masa del Platón (g) - - - -
Masa Material Seco (g) 387.7 387.7 271.9 535.1
Contenido de Agua (%) 1.7 2.01 2.65 4.19
Peso Unitario Seco (kg/m3) 1,765.7 1,833.7 1,898.0 1,819.1
Peso Unitario Seco (kN/m3) 17.32 17.98 18.61 17.84
Peso Unitario Seco (lbf/pie3) 110.23 114.47 118.49 113.57
Humedad de Saturación (%)
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56
Figura 20. Resultado proctor Recebo más borras vs Porcentaje volatizado de borras
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57
4.3.2.8 RELACIONES HUMEDAD - PESO UNITARIO SECO EN LOS SUELOS ENSAYO MODIFICADO DE
COMPACTACIÓN INV - E - 142 – 2013 – (Porcentaje óptimo de borras).
Figura 21. Resultado porcentaje óptimo de Borras
58
HUM EDAD PENETRACION C. B. R. CORREG. a 0.1" C. B. R. CORREG. a 0.2"15.50 % 17.79 % 20.67 %
40.7 22.77 4.6
46.69 22.33 4.09
516.3 282 94
0.5 12.7 4202 1400.7 1602 534 295 98.3
0.475 12.065 4057 1352.3 1549
483.7 263 87.7
0.45 11.43 3900 1300 1503 501 276 92
0.425 10.795 3729 1243 1451
448.7 249 83
0.4 10.16 3558 1186 1392 464 256 85.3
0.375 9.525 3394 1131.3 1346
420.3 230 76.7
0.35 8.89 3217 1072.3 1307 435.7 236 78.7
0.325 8.255 3033 1011 1261
391.7 210 70
0.3 7.62 2849 949.7 1221 407 223 74.3
0.275 6.985 2666 888.7 1175
354.7 197 65.7
0.25 6.35 2482 827.3 1123 374.3 204 68
0.225 5.715 2298 766 1064
315 177 59
0.2 5.08 2101 700.3 1005 335 184 61.3
0.175 4.445 1904 634.7 945
262.7 151 50.3
0.15 3.81 1700 566.7 873 291 164 54.7
0.125 3.175 1497 499 788
170.7 118 39.3
0.1 2.54 1221 407 683 227.7 138 46
0.075 1.905 860 286.7 512
26.3 46 15.3
0.05 1.27 512 170.7 269 89.7 92 30.7
0.025 0.635 177 59 79
Carga
lb
Esfuerzo
psi
0 0 0 0 0 0 0 0
PENETRACION
(in) (mm)
Carga
lb
Esfuerzo
psi
Carga
lb
Esfuerzo
psi
Lectura Expansión Día 4 (0.01 mm) 50 67 91
Expansión Total (%)
Lectura Expansión Día 2 (0.01 mm) 32 49 68
Lectura Expansión Día 3 (0.01 mm) 41 52 76
Lectura Expansión Inicial (0.01mm) 0 0 0
Lectura Expansión Día 1 (0.01 mm) 25 38 54
Humedad % 13.13 12.79 12.67
Densidad Seca (kg/m3) 1854 1746 1576
M asa M uestra Humeda (g) 4446.5 4174.5 3753.5
Volumen M uestra (cm3) 0.075 0.075 0.075
M asa M uestra Humeda + M olde (g) 12355 12021 11920
M asa M olde (g) 7909 7846 8166
Prueba 1 2 3
No. de Golpes por Capa 65 30 10
4.3.2.9 C.B.R. DE SUELOS COMPACTADOS EN EL LABORATORIO INV -
E - 148 – 2013 (Recebo más agua).
Tabla 14. Resultado CBR Recebo más agua
59
Figura 22. Grafica CBR recebo más agua
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60
Figura 23. Resultado ensayo CBR, Recebo más agua
61
785.7 788 262.7
HUM EDAD PENETRACION C. B. R. CORREG. a 0.1" C. B. R. CORREG. a 0.2"
45.77 23.43 9.4
54 26.84 10.51
0.5 12.7 4671 1557 2357
728.7 742 247.3
0.475 12.065 4527 1509 2265 755 768 256
0.45 11.43 4363 1454.3 2186
674 696 232
0.425 10.795 4218 1406 2101 700.3 716 238.7
0.4 10.16 3967 1322.3 2022
610.7 650 216.7
0.375 9.525 3723 1241 1924 641.3 676 225.3
0.35 8.89 3585 1195 1832
549.3 597 199
0.325 8.255 3367 1122.3 1753 584.3 624 208
0.3 7.62 3122 1040.7 1648
477 538 179.3
0.275 6.985 2904 968 1536 512 565 188.3
0.25 6.35 2779 926.3 1431
402.7 473 157.7
0.225 5.715 2668 889.3 1320 440 506 168.7
0.2 5.08 2430 810 1208
330.3 387 129
0.175 4.445 2279 759.7 1103 367.7 433 144.3
0.15 3.81 2008 669.3 991
234.3 282 94
0.125 3.175 1657 552.3 860 286.7 341 113.7
0.1 2.54 1373 457.7 703
103 131 43.7
0.075 1.905 1057 352.3 525 175 210 70
0.05 1.27 700 233.3 309
0 0 0
0.025 0.635 327 109 105 35 53 17.7
0 0 0 0 0
PENETRACION
(in) (mm)
Carga
lb
Esfuerzo
psi
Carga
lb
Esfuerzo
psi
Carga
lb
Esfuerzo
psi
4.3.2.10 C.B.R. DE SUELOS COMPACTADOS EN EL LABORATORIO INV -
E - 148 – 2013 (Recebo + Borras).
Tabla 15. Resultado CBR Recebo más Borras
62
Figura 24. Grafica CBR, recebo más Borras
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Figura 25. Resultado CBR, Recebo más Borras
64
5 ANALISIS DE RESULTADOS.
5.1 COMPARACIÓN HUMEDAD OPTIMA - PORCENTAJE OPTIMO DE
BORRAS
En la siguiente grafica se observa la comparación de las curvas optimas de
humectación del material granular con agua y con recebo
Figura 26. Comparación humectación optimas Borras-Agua
Para llegar a la humedad ideal del material granular, con el borras se necesita
menos cantidad que con el agua, esto posiblemente se deba a sus cadenas de
hidrocarburos o composicion quimica.
Aunque la densidad con el borras es menor se puede observar según las pruebas
de CBR que esto no compromete la capacidad portante del material granural. Esto
supondria un beneficio al requerir menos materia prima al realizar estructuras
viales con material común mezclado con borras, ya que la cantidad de agregado
seria menor por m3, y se eliminaria el uso del agua que en campo representa
grandes costos por el transporte de este liquido como un impacto ambiental al ser
en la mayoria captada de puntos autorizados por la ANLA que representan
disminuciones de caudal aguas debajo de los cauces.
Cantidades de agua que son considerables ya que se necesita para humectar el
material granular hasta llevarlo a su humedad optima antes de la compactación y
luego irrigación en verano para evitar la contaminación por material particulado.
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65
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
Esfu
erz
o (
PSI
)
Penetración (in)
Curva Esfuerzo vs Penetración.
65 GOLPES CB
30 GOLPES CB
10 GOLPES CB
65 GOLPES SB
30 GOLPES SB
10 GOLPES SB
5.2 COMPARACIÓN RESULTADOS CBR DE LABORATORIO
Como se aprecia en la curva de esfuerzo Vs penetración, la capacidad del material
tipo recebo aumenta su CBR cuando se utiliza en conjunto con el borras, ya que si
comparamos el CBR obtenido del recebo sin borras a un porcentaje de
compactación del 95% este valor es 21%, en cambio cuando se mezcla con el
borras, el CBR obtenido con una compactación del 95% es 28 %, es importante
recalcar que el borras tuvo un tiempo en el lecho de secado, de 30 días antes de
ser utilizado en los ensayos de laboratorio.
Figura 27. Comparación Esfuerzo vs penetración muestra Con borras (CB) y sin borras (SB)
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66
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
160%
180%
200%
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
% d
e in
cre
me
nto
.
Penetración (in).
Incremento en % del esfuerzo.
65 GOLPES CB
65 GOLPES SB
La tendencia que presenta el recebo en conjunto con el borras es en aumentar la
capacidad portante, porque si se observa la gráfica del incremento en % Figura
28, Figura 29 y Figura 30; del esfuerzo en el ensayo de CBR a sesenta y cinco
golpes, podemos apreciar que existe un incremento inicial alto (185%) pero a
medida que la carga está en aumento tiende a estabilizarse el esfuerzo en un
porcentaje de aumento promedio de 119%.
El borras presenta una propiedad de mejoramiento, ya que al comparar el
porcentaje se incremento del esfuerzo con apenas 10 golpes en la muestra se
puede apreciar que existe un incremento del 260% con respecto a la muestra sin
borras, permitiéndonos así obtener mayores resistencias del esfuerzo según
ensayo CBR de laboratorio.
Figura 28. Incremento de CBR muestra con borras (CB) y sin borras (SB) 65 golpes
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67
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
160%
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
% d
e in
cre
me
nto
.
Penetración (in).
Incremento en % del esfuerzo.
30 GOLPES CB
30 GOLPES SB
0%
50%
100%
150%
200%
250%
300%
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
% d
e in
cre
me
nto
.
Penetración (in).
Incremento en % del esfuerzo.
10 GOLPES SB
10 GOLPES SB
Figura 30. Incremento de CBR muestra con borras (CB) y sin borras (SB) 30
golpes
Figura 29. Incremento de CBR muestra con borras (CB) y sin borras (SB) 10
golpes
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68
El borras nos permite mejorar la capacidad de esfuerzos del recebo, ya que para
conseguir la misma penetración en un recebo humectado con agua, se debe
aplicar una mayor carga. A continuación se muestran graficas comparativas entre
la carga y penetración de la mezcla con borras y sin borras a los diferentes
cantidades de energia aplicada según ensayo CBR de laboratorio.
Figura 31. Comparación esfuerzo-penetración, muestra con borras (CB) y sin borras (SB) 65 golpes
0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
4,000
4,500
5,000
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
Car
ga.
lb
Penetración (in).
Carga Vs Penetración.
65 GOLPES CB
65 GOLPES SB
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69
Figura 32. Comparación esfuerzo-penetración, muestra con borras (CB) y sin borras (SB) 30 golpes
0
500
1,000
1,500
2,000
2,500
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
Car
ga.
lb
Penetración (in).
Carga Vs Penetración.
30 GOLPES CB
30 GOLPES SB
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70
Figura 33. Comparación esfuerzo-penetración, muestra con borras (CB) y sin borras (SB) 10 golpes
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
Car
ga.
lb
Penetración (in).
Carga Vs Penetración.
10 GOLPES CB
10 GOLPES SB
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71
6 CONCLUSIONES
Las mezcla entre las borras y el recebo presenta una propiedad
impermeable, evitando que ingrese el agua a sobresaturar el material,
además una perdida al horno 60°C de alrededor del 2.3% de masa.
Propiedades que permite atrapar los finos del recebo, evitando que este
material se levante a la atmosfera, ayudando a disminuir la contaminación
por material particulado en las vías en afirmado y proporcionando una
mayor duración de las vías temporales.
Se le realizaron los ensayos de caracterización al material granular recebo,
Obteniendo la caracterización de un recebo con buenas características en
su tipo, con alto contenido de finos, una resistencia CBR del 21% a una
compactación del 95% respecto a la húmeda optima del proctor modificado
la cual fue del 13.8%. Es un material triturado, IP 11, equivalente de arena
17% y clasificada como una Grava Arcillosa GC.
El lecho de secado permitió volatilizar la mezcla de forma natural, bajo
condiciones controladas, lo que facilito obtener unas borras mucho más
homogéneas y compactas, logrando el estudio ante la acción de esfuerzos.
Además se evidencio que la densidad de la muestra disminuyo teniendo un
material más viscoso, una emulsión con menos cantidad de agua y un
grado API de 18.67 menor al inicial 22.3.
Empleando el ensayo de laboratorio relaciones humedad - peso unitario
seco en los suelos, ensayo modificado de compactación, se logró
determinar que el porcentaje óptimo de borras es del 9.4 %, si comparamos
el mismo resultado para el recebo humectado con agua encontramos que la
humedad óptima es del 13.8%, lo que lleva a pensar que por su
composición química, se requiere menor cantidad de borras para obtener
los mismos o incluso mejores resultados que con el agua.
Se logró evidenciar que el borras permite mejorar la capacidad del suelo
para soportar los esfuerzos cortantes a los que se encuentra sometida la
muestra, ya que el CBR obtenido del recebo sin borras fue de 21% a una
compactación del 95%, en cambio el recebo más borras fue del 28% al
mismo porcentaje de compactación.
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72
En la evaluación de diferentes parámetros de resistencia fue posible
encontrar que el borras incremento el porcentaje de CBR a una
compactación del 95% en un 7% comparándola con el CBR del recebo sin
borras y del 3% cuando la energía de compactación es del 100%.
Según los ensayos de proctor se podría optimizar los materiales para la
construcción de vías temporales en las vías temporales minimizando el uso
de agua, reutilizando un desecho como son las borras. Necesitando menor
cantidad de material granular y respecto a la humedad optima un mayor
porcentaje de humectación sin comprometer la resistencia de la estructura
vial. Siempre y cuando se respeten las normativas ambientales vigentes
nacionales e internacionales.
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73
7 RECOMENDACIONES.
El tiempo de secado de la mezcla una vez vertida en el lecho de secado es
aproximadamente un mes, sin embargo, este puede variar de acuerdo a la
capa de Borras, la temperatura ambiental, el flujo de aire, la humedad
atmosférica entre otros factores externos.
Se observó que el borras presenta una propiedad impermeable, ya que al
momento de extraer del núcleo la muestra en el laboratorio de CBR luego
de estar cuatro días sumergida en agua, la mezcla se encontraba seca, lo
que abre la puerta para el estudio de este material en combinación de
suelos expansivos.
Los materiales granulares con los que se va a mezclar el borras del lecho
de secado deben tener un humedad cercana al 0%, por tal motivo si se
observa que la humedad natural es representativa se deberá poner a secar.
Por tal motivo se recomienda realizar estas actividades en época de
verano.
Cuando un material esta húmedo, se le adicionan borras por la diferencia
de densidades, la insolubilidad del agua y el aceite no se mezclaran y al
realizar la compactación de la mezcla realizada. Esta generara mayor
residuos lixiviados de agua contaminada con aceite.
La relación de Borras – recebo, se debe obtener por medio de un ensayo
de proctor modificado. Ya que este porcentaje cambiara según las
características del borras y del material granular utilizado.
Cuando las borras presenten una viscosidad baja se recomienda su uso
para humectación de capas de rasante, ya que mejora su capacidad
portante y elimina la utilización del agua en el proceso constructivo.
Al momento de realizar los ensayos de CBR se pudo apreciar la exudación
de lixiviados y trazas de aceites en la piscina de inmersión de los testigos,
se recomienda adicionar a la mezcla un aditivo que controle este lixiviado,
actualmente en el mercado se está investigando en el tema, aditivo no
propio del estudio de esta tesis.
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74
En campo, las borras podría ser usado como agente humectante de los
materiales granulares, material común de préstamo o material de cantera.
Lo que permitiría ahorro de tiempo en el desplazamiento de carro tanques
hasta el punto de captación hídrico, reduciendo costos de operación y
costos de disposición ambiental.
De las borras que queda en el lecho de secado, en la capa que posee
contacto directo con la arena, se observó que se obtuvo un material más
sólido y viscoso, este podría utilizarse para ligar materiales mucho más
gruesos y sin arcillas en su composición. Se deberán estudiar dichas
propiedades en un nuevo proyecto.
Según los ensayos realizados en este proyecto de grado a la mezcla entre
material granular y recebo, está actualmente es ambientalmente peligrosa
ya que al momento de dejar el testigo en inmersión se evidencio iridiscencia
en el agua. Por tal motivo se recomienda la utilización de un aditivo que
encapsule los posibles lixiviados, actualmente se tiene conocimiento de
investigaciones sobre productos que cumplan esta función pero se
encuentran en estudio.
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75
BIBLIOGRAFIA.
HESS LOTHAR, Max, Acondicionamiento y desaguado - Filtraciones al
vacio - Filtros prensa - Lechos de secado. Companhia Estadual de
tecnología de Saneamento Básico e de Defensa do Medio Ambiente
(CETESB). Sao Pablo-Brasil, 2007.
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Industr. Wastes, Vol. 8, 1956.
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suelos. Bogotá: INVIAS, I.N.V. E -152 – 07.
RONDON QUINTANA, Hugo. REYES LIZCANO, Fredy. Pavimentos
materiales, construcción y diseño. Bogotá, ECOE ediciones. 2015
SUAREZ HERNANDEZ, Lina María, Desarrollo de un método químico para
recuperación de crudo a partir de las borras generadas en los procesos de
mantenimiento de tanques y tuberías en distritos de producción petroleros
de Colombia. Bogotá, Universidad Nacional de Colombia. 2011
JUAREZ, Eulalio, Mecanica de suelos I. Fundamentos de la Mecánica de
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MOTT, Robert L. Mecanica de fluidos. Sexta edición. México, 2006.
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Suelos: Ensayo para determinar el límite plástico y el índice de plasticidad.
Bogotá: ICONTEC, 1999. NTC 1493
INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN.
Suelos: Ensayo para determinar el límite líquido. Bogotá: ICONTEC, 1999.
NTC 1494.
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Norma ASTM
D4007-08. Método para determinar agua y sedimentos en petróleo
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76
RELACIONES HUMEDAD - PESO UNITARIO SECO EN LOS SUELOS -
ENSAYO MODIFICADO DE COMPACTACIÓN INV - E - 142 – 2013
EQUIVALENTE DE ARENA DE SUELOS Y AGREGADOS FINOS INV E -
133 – 2013
RELACIONES HUMEDAD - PESO UNITARIO SECO EN LOS SUELOS -
ENSAYO MODIFICADO DE COMPACTACIÓN MÉTODO C INV - E - 142 –
2013
DESGASTE EN LA MAQUINA DE LOS ANGELES NTC 98 – 2012
DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO ORGÁNICO DE UN SUELO
MEDIANTE EL ENSAYO DE PÉRDIDA POR IGNICIÓN - NORMA I.N.V. E -
121 – 2013
DECRETO 4741 DE 2005. Por el cual se reglamenta parcialmente la prevención y el manejo de los residuos o desechos peligrosos generados en el marco de la gestión integral.
DECRETO 1594 DE 1984. Por el cual se reglamenta parcialmente el Título I de la Ley 09 de 1979, así como el Capítulo II del Título VI - Parte III - Libro II y el Título III de la Parte III Libro I del Decreto 2811 de 1974 en cuanto a usos del agua y residuos líquidos.
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77
ANEXOS
1. Ensayos de laboratorio caracterización del material granular fino usado en
el lecho de secado.
2. Caracterización de las borras.
3. Ensayos de laboratorio caracterización del material granular recebo usado
en la mezcla con el borras.
4. Ensayos de CBR de laboratorio a muestra recebo con humedad óptima y
recebo con borras.
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