Charla Arena movediza Thierry Poirier USB Caracas.pdf

7/28/2019 Charla Arena movediza Thierry Poirier USB Caracas.pdf

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Fluidos dilatantes y

Arenas movedizasalgunos casos de estudio

Qu son?Cmo funcionan?Qu hacer si uno

se hunde?De qu estncompuestas?

prof. Thierry Poirier, Dpto Materiales

yendo desde Hollywood hasta su cocina,pasando por Francia, Irn, Brasil y el planeta Marte,despeje sus dudas sobre esta familia de materiales

y sus efectos

Universidad

Simon Bolvar;Caracas,

Venezuela


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ES POSIBLE HUNDIRSE ?

Escultura del museo de historia del Mont Saint Michel, Francia,por Paul Capellani, 1909

DEPENDE DEL TIPO

DE ARENA MOVEDIZA

Hollywood:ms de 700

escenasdramticas.

son realistas?

http://www.q

uicksandmovies.n

et/

media.h

tml


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Caso 1: medio granular SECO colapsable

Por qu NO COLAPSA laARENA de NUESTRAS PLAYAS?

La COMPACIDAD ( 60-66% vol) es ALTA,

Las PARTICULAS (GRUESAS) se SOPORTANy bloquean entre si (gravedad + compresin)

Soportan peso adicional sin problema


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CUALES CONDICIONES PERMITEN EL COLAPSO?

1) MUCHO ESPACIO VACIO(Material : 40% del Volumen)

2) Capacidad de las partculasa dar lugar a un edificioque se mantengamientras no haya

perturbacin externa


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Ms fcilsi hay muchos puntos de contacto (roce)

entre superficies de granos de arena:sucede con granos ms finos

(comprese los 0,040 mm de Lohsecon los 0,500-2,000 mm de una arena tradicional)

la brisa y/o una cada progresiva de los granos puedeconstruir el edificio colapsable

Puntode contacto

(roce)


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Ms fcil si hay muchos puntos decontacto (roce) entre superficies de

granos de arena:sucede con granos ms finos

(comprese los 0,04 mm de Lohsecon los 0,5-2 mm de una arena tradicional)

la brisa y/o una cada progresiva de los granospuede construir el edificio colapsable

Puntode contacto

(roce)


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Caso 1: Medio granular seco colapsable (algunas dunas, silos) :apilamiento muy suelto de partculas finas por la brisa

y/o por la cada aleatoria de partculas finas.

Hundimiento posible, rpido, completo, peligroso

Accidente en un silo de azcar,Francia, marzo 2012:3 victimas por hundimiento y asfixia

Hundimiento de ruedas del Mars Explorer RoverSpirit, mayo 2009

partculas finas (1 m) depositadas por tormentas


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Suspensin agua + slido (pasta granular) : fuerza de Arqumedes

es difcil hundirse en un medio de densidad cercana entre 1,5 y 1,8 kg/l!

MITO HOLLYWOODENSE CASO CLASICO

Caso 2: pastas granulares (slido + AGUA)


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Pasta granular :

Caso 2a: (poco corriente)

un flujo de agua subterrneahacia la superficie, puede

poner la arena en suspensin

Flujo de agua

Liquefaccin del suelo bajo edificios despusdel terremoto de Niigata, Japn, 1964

Ej: Bordes del Ro Loira (Francia)


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Pasta granular :

Caso 2b:

Arenas movedizas clsicas: mezclas hmedas estticas

Estudio de caso :

Mont Saint Michel,Normandia,Francia

Comparacin con otros casos: Carretera Tehern-Qom, Irn

Dunas de Lenois Maranhenses,Brasil

Arenas movedizas artificiales

Maizina americana


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PARIS

El MONT SAINT MICHEL

Playas del desembarco

Run


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ro

Couesn

on

Mt SaintMichel

ReginNormanda

ReginBretaa

Canal de laMancha


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- Monasterio desde 709- Fortificado durante la guerra de 100aos contra Inglaterra (siglo XIV)

- Lugar de peregrinaje hasta larevolucin francesa (1792)- Crcel hasta 1863- Monumento histrico desde 1874

Grandes mareas Retiro: hasta 18 km (15 m altura) Velocidad: hasta 6 km/h Estacionamiento en parte inundable

Arenas Movedizas1 2 victimas / ao (marea)

Caso del MonteSaint-Michel


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Caso del MonteSaint Michel

(Normanda, Francia)

Tapicera de Bayeux, 1080 D.C

En la zona del monte San Miguel,[los soldados del Duque Guillermo de

Normanda] cruzan el ro Couesnon yse hunden. El conde Harold (yerno del

duque) los saca de la arena

roCoue

snon


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Tapicera de Bayeux, 1080 D.C

En la zona del monte San Miguel,

[los soldados del Duque Guillermo de Normanda] cruzan el ro Couesnon yse hunden. El conde Harold (yerno del duque) los saca de la arena


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Como salirse de la arena movediza?

Gua turstico vs Bear Grylls:

un mismo comportamientoreolgico

y dos presentaciones diferentes

Importancia de la velocidadde cizallamiento

http://www.youtube.com/watch?NR=1&feature=endscreen&v=MJTGwZM05lQ

http://www.youtube.com/watch?v=LYtX8Blzf9ABuscar video:

Buscar video:


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Como salirse de laarena movediza?

- aprovechar aumento de%vol de slidos en laparte inferior (D. Bonn, 2005)

- movimientos suaves

para liberar los pies

Esquema (inexacto) presentado por

Science et vie junior, Francia, 12/2005


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Datos bsicos de viscosimetra :

Fenmenos de transporte 1 (TF1221)

SOLIDO y LIQUIDO

G: gradiente

de velocidad,

cizallamiento


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SOLIDO y LIQUIDO

G: gradiente

de velocidad,

cizallamiento

Frotamiento slido-slido Frotamiento viscoso


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SOLIDO y LIQUIDO

G: gradiente

de velocidad,

cizallamiento

Frotamiento slido-slido Frotamiento viscoso


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viscosimetra

Concepto de Newton:Esfuerzo (Pa) = viscosidad x gradiente de velocidad

Liquido: viscosidad: unidad. Pa.s (unidad MKS).1 mPa.s = 1 cPo (unidad CGS)

Ordenes de tamao-----------------------------------------------------------------------------------------Aire (0 C) 17. 10 -6 Pa.s

Agua (20 C) 1,0. 10 -3 = 1 mPa.s= 1cPoSuspensin arcillosa industrial 0,25-0,5Vidrio (calentado para soplarlo) 30Resina (20 C) 30. 10 6

Vidrio (20 C) 100. 10 12 Pa.s-----------------------------------------------------------------------------------------


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viscosimetra

FLUIDOS NORMALES (NEWTONIANOS)

Velocidad de Cizallamiento

o Gradiente de velocidad (s-1)


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viscosimetraCuando hay frotamientos entre partculas:

FLUIDOS PLASTICOS (BINGHAM)



oesfuerzo de

cedencia

descanso

Movimiento (vencer roce inicial)


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viscosimetra

Ms realista: FLUIDOS SEUDO-PLASTICOS


o Gradiente de velocidad (s-1)Ej: suspensiones arcillosas


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viscosimetraSi el retorno a la estructura de menor cizallamiento

toma tiempo FLUIDOS TIXOTROPICOS


Ej: salsa de tomate,suspensiones arcillosas

Caso de un gel quecolapsa bajo

cizallamiento, y tardaen restablecerse

cuando vuelve adescansar

Agua capturada enpelcula gelatinosa

Agualibre


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viscosimetra

Asumiendo queViscosidad = esfuerzo / gradiente de velocidad



FLUIDOS PLASTICOS y SEUDOPLASTICOS


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viscosimetraa veces: comportamiento mixto

Fuente: ITC

Vi i t d l Fl id DILATANTES


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f(Pa)

G (s-1)

Viscosimetra de los Fluidos DILATANTES(incluye arena movediza, maizina americana)

Velocidad de Cizallamientoo Gradiente de velocidad (s-1)

esfuerzo

Movimientosuave o nulo:hundimiento o

liberacin

Movimientobrusco:

resistencia muygrande aldesplazamiento

DILATANCIA :


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f(Pa)

G (s-1)

Velocidad de Cizallamientoo Gradiente de velocidad (s-1)

esfuerzo

Movimiento nulo:consistencia lquida

Movimientoamplio y frecuente:

consistencia msslida

La maizina americana tambin

http://www.youtube.com/watch?v=jlFYFVUbME0Buscar video:

Tiempo de relajacin vs tiempo de solicitacin


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Tiempo de relajacin vs tiempo de solicitacin

http://www.youtube.com/watch?v=D4ZrPetNp-M

Numero de Deborah: De = trelajacin/ tsolicitacin > 1 se comporta como un slido< 1 se comporta como un fluido viscoso

trelajacin : 10-12 s para el agua, 10-6 s para el aceite lubricante, algunos segundos para ciertos

polmeros

Larson, 1999 : De trelajacin x velocidad de cizallamiento

Papel de la frecuencia (s-1)

Buscar video:

Fluidos con UMBRAL


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Fluidos con UMBRAL

Coussot & Ancey, 1999

Rgimen viscoso Rgimen de friccin

(Barras: puntos de contacto slido-slido)

Fluidos con UMBRAL


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Fluidos con UMBRAL

Barnes, 1989

concentracin

Fluidos con UMBRAL


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Fluidos con UMBRAL

Nmero de Leighton:Le = Fuerza de frotamiento viscoso / Fuerza de frotamiento tangencial

Le= .G.r.h / (. FN) (ver efecto si r)Con : viscosidad del liquido, G: cizallamiento, r: radio partcula,

h: distancia interparticular, : coef. de frotamiento, FN: fuerza normal entre partculas

Nmero CRITICO de Leighton: Lec = . Gcrtico / fcrtico

Le < Lec

rgimen de friccin

Le Lec rgimen viscoso

Lec 10-4 10-3 para diversos materiales (arena movediza, otras mezclas)

en lquidos de diversas viscosidades (10-3

2,3 Pa.s)N. HUANG, Rhologie des ptes granulaires, tsis PhD Universidad de Paris VI, Francia, 09/2006

Fluidos con UMBRAL


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Fluidos con UMBRAL

Rgimen viscoso Rgimen de friccin(Barras: puntos de contacto slido-slido)

Para el Cambio de rgimen, hace falta:

- ANTES: condiciones con LeLec

,con suficiente lubricacin y/o distancia entre las partculas

- DESPUES: condiciones con Le


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f(Pa)

G (s-1)

Poco

cizallamiento:esferas finasisodiamtricas

dispersadas por

fuerzaselectroestticas

repulsivas

Causa presumida en los aos 30 40(Freundlich y Rder) para la arena movediza

Ms cizallamiento:

el agua se vera expulsada(percolacin) hacia fuera:

ms contacto y ms

frotamiento entre granos

Anlisis de la arena movediza


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-Microscopa Electrnica de Barrido conanlisis elemental (MEB-EDS)

-Macrolupa

(antes y despus de lavado con HCl)- Granulometra lser (Lab. Fisicoqumica)


del Mont Saint Michel

Anlisis de la arena movediza MEB EDS:


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Fe

Ca

K

Cl

Si

Al

Mg

Na

(EDS)

MEB-EDS:

Partculas muy finas y aglomeradas

Anlisis de la arena movediza MEB EDS:


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32.99Ca K

1.88Al K

MEB-EDS:

CaCO3 muy fino y aglomerado


Al K 8.51 Na K 9.05


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11.35Fe K21.78Ca K

4.92K K

8.27Cl K

41.09Si K12.59Al K

Al K 6.87

Si K 10.11

Ca K 14.23

Al K 4.87

Si K 25.11

Ca K 12.26

Fe K 6.25

Si K 22.88

Cl K 9.39

Ca K 18.26

Fe K 11.71

Si K 4.17

Cl K 16.14

Ca K 8.56

Al K 7.64

Si K 12.19

Ca K 5.94

Fe K 9.58

Anlisis elemental sugiere:Arena, Sales, Carbonatos de

Ca, Silicoaluminatos: Arcillas

6Anlisis de la arena movediza

A


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0

1

2

3

4

5

0.1 1 10 100 1000

dimetro (m)

%

volum

en

1 minuto US

15 minutos US

30 minutos US



Coexistencia de arenas muy finas(cuarzo + otro mineral ) con limo(CaCO3 : confirmado con lavado HCl)y arcilla

Efecto de agitacin con ultrasonidos:sustenta la hiptesis de unatendencia a la aglomeracin(floculacin) :

La arcilla floculada podra crear

una capa gelatinosa alrededor delos granos de arena

arcilla

limo

Arena

GranulometraLser

Canal de laMancha

CaCO3 muy fino:id d


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ro

Couesn

on

Mt SaintMichel

Mancha

ARCILLAtrada por

el RIO

ARENAFINA localdegradada

por lasmareas, SAL

Arcilla: agente suspensivo,crea un gel que sostiene eledificio con poca arena ymucha agua, y lubrica a bajo

cizallamiento

CaCO3 muy fino:posible heterocoagulacin

con la arena: efectocomplementario de la arena

Sal: floculante, contribuye a

cohesin del edificio conpoca arena y mucha agua

residuos deCONCHAS marinas

trados por lasmareasPosible relacincomposicin-propiedades

Hiptesis a nivel microscpico:


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efecto de Dilatancia causado por gel arcilloso:separa los granos y los lubrica a bajo cizallamiento,

pero migra a alto cizallamiento y deja de actuar de separador

Bajo cizallamiento:distancia suficiente entre

granos arenosos, gracias ala lubricacin por el gel de

arcilla floculada,fluidez aparente

Alto cizallamiento:gel colapsa, losgranos de arenalogran tocarse:

frotamiento mayor:consistencia slida

Rgimen viscoso Rgimen de friccin

Arena

Gelarcilloso

(Barras: puntos de contacto slido-slido)

Hiptesis a la escala del gel arcilloso:


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Hiptesis a la escala del gel arcilloso:posible desaglomeracin, con alto cizallamiento,

de las partculas arcillosas que constituan el gel demicropartculas que separaban los granos arenosos

Con Bajo cizallamiento:gel arcilloso capaz de

deformacin y derrame,capaz de cierta rigidez en

reposo: sostiene y lubricalos granos arenosos

Alto cizallamiento: Partculasarcillosas pierden textura

gelatinosa, fluidez aumenta,migracin y percolacin ms

fciles: ya no ayudan tanto aseparar los granos arenosos

Agua capturada enpelcula gelatinosa

Agualibre Agua

libre

Carretera Tehern- TEHERAN


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Qom, Irn

D.Bonn, 2005

Regin con varios lagos salados,la arena se vuelve movediza enperiodo de lluvia

7%Arcilla expansiva

(Bentonita)

3%Hematita (Fe2O3)

15%Cristobalita (SiO2)

25%Cuarzo (SiO2)

50%Yeso (CaSO4,2H2O)

Relleno y floculante

ArenaSuspensivo y ligante

QOM

Arena movediza reconstituida en laboratorio:i i il


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Khaldoun, Bonn y col, Nature, 437, 635, 2005

comportamiento similar

(Irn)

90 %m arena, 10 %m bentonita en agua salada; total: 50 %m slido

Similitud con el caso del Mont Saint Michel:

arena fina + arcilla + sal floculante mecanismo parecido

El caso particular de la arena movediza i i t d L i M h B il


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BRASIL

viviente de Lenois Maranhenses, Brasil

Kadau y col, 2008, Moschini-Carlos 2008:Arena movediza despus de las lluvias. Arena (+ sal + poca arcilla).

NOVEDADES: (1) dunas (posible aporte de la brisa sobre el apilamiento)(2) muchas algas, organismos vegetales, cianobacterias

El caso particular de la arena movediza i i t d L i M h B il


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viviente de Lenois Maranhenses, Brasil

Efecto descrito: aun los objetos livianos (tablas de madera) son fciles dehundir manualmente y son muy difciles de recuperar

( habr una diferencia significante con los casosdel Mont Saint Michel, de Irn y de la arena movediza reconstituida ?)

Efecto cementante de las cianobacterias: remplazara o completara el efecto de arcilla+sal

simulacin


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La Rigidez aumenta con la profundidad. Diferencia entre antes y despus de colapso:efecto similar a medios secos colapsables?

Y qu pasara sin el efecto de la gravedad?


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Caso de lamaizina

americana

N. Huang, Tesis PhD, 2006

Ensayo de viscosmetroplatoplato con fcula demaz (41%m) en solucin

de agua+CsCl isodensa(1,67 kg/l)

Caso de la maizina americana


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M.O Luz natural y polarizada- Partculas 5-25 m

- aprox. 25% Amilosa(poco ramificada, menos soluble en agua

y 75% Amilopectina(ms ramificada, ms cristalina, ms soluble,adherencia)

- Maizina americana : fabricacintransformacin trmica de la fcula de maz que

aumenta su solubilidad y capacidad a hincharse,al absorber agua (Lawal, 2004)

Formacin de un gel que interconectapartculas relativamente gruesas:

este edificio podra sersimilar a la arena movediza

CONCLUSIONES


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CONCLUSIONES

sobre las arenas movedizas

1) Distinguir los casos: arena seca colapsable pasta granular

Hundimientoinmediato y completo

Hundimientolento y parcial

2) La arena seca puede colapsar si haypartculas finas, poco numerosas(bajo %vol), con frotamientos slido-

slido apenas suficientes parasostener el edificio (caso pococorriente)

CONCLUSIONES


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3) Una pasta granular (arena, otro) puede ser movediza(dilatante) si hay:

(a) suficiente lquido (agua, otro)

(b) partculas finas (10-50 m) para constituir un edificio dbilque permite distancia entre partculas a bajo cizallamiento,

pero da lugar a contacto slido-slido y frotamientos acizallamiento mayor

(c) algn componente cohesionante (arcilla expansiva, 0.2-2 m, preferiblemente con sal floculante; cianobacteria;amilopectina) para formar un gel que d estabilidad al edificio ylubricacin interparticular a bajo cizallamiento.Nota: El aporte de la gravedad es significante pero no parece obligatorio

AGRADECIMIENTOS


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Ms enlaces

http://www.youtube.com/watch?v=nzCTO9neDLY (Mythbusters)

http://sables-mouvants.voila.net/

http://en.wikipedia.org/wiki/Dry_quicksand

AGRADECIMIENTOS

Profesores: Jorge Mostany, Carlos Borras,Alejandro Muller, Jos Baena, GustavoGutirrez, Silvia Wilinski

Licenciados: Juan B. Tovar, GabrielaDurn, Gleen Rodrguez

http://www.wikimanche.fr/Le_Mont-Saint-Michel#La_tangue

http://www.diffusion.ens.fr/video_inc.php?video=2005_12_03_bonn_adsl.mov

Algunas referencias


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D.Lohse y col, Impact on Soft Sand:Void Collapse and Jet Formation, Phys. Rev

Lett (93) 19, 198003/1-4 Nov 2004 :http://doc.utwente.nl/49050/1/impact_on_soft_sand.pdf

D. Kadau, H.J. Herrmann, J.S. Andrade Jr., A.D. Araujo, L.J.C. Bezerra and L.P.Maia. Living Quicksand. Brief Communications to Granular Matter 11(1), 67-71

(2009).C. Ancey and P. Coussot. Transition frictionnelle/visqueuse pour unesuspension granulaire. C.R. Acad. Sci. Paris, 327(Serie II b), 1999

N. HUANG, Rhologie des ptes granulaires, tsis PhD Universidad de Paris

VI, Francia, 09/2006

A. Khaldoun, E. Eiser, G. H.Wegdam, and D. Bonn. Liquefactionof quicksand under stress. Nature, 437, 2005

Moschini-Carlos, V, Pereira, D, Wisniewski, MJS. and Pompo, MLM, The

planktonic community in tropical interdunal ponds, Acta Limnol. Bras., 2008,vol. 20, no. 2, p. 99-110

Lawal, O.S., Adebowale, K.O. and Oderinde, R.A, Functional properties ofamylopectin and amylose fractions isolated from bambarra groundnut (Voandzeia

subterranean) starch Afr. J. Biotechnol., Vol. 3 (8), pp. 399-404, August 2004

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