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Ensayos para la determinación de arcilla activa,
permeabilidad y resistencia a la comprensión
Palacios, A. Herrera, I. Zerpa, N. RESUMEN En primer lugar, se prepararon 3 muestras de arena con un contenido de arcilla de 6%, 9% y 12% a su vez cada muestra preparada se subdivido en 3 muestra cada una con porcentajes de humedad de 4%, 8% y 12%. Luego, se procedió a aplicar los ensayos de permeabilidad y resistencia a la compresión en verde. Seguidamente, se realizó una preparación de una muestra de 5g de arena de moldeo y 0,5g de arcilla para la determinación de porcentaje de arcilla activa con azul de metileno. Seguidamente, se procedió a realizar la titulación y se registraron los datos obtenidos. A partir de los resultados obtenidos se generó las gráficas que reflejan los valores de permeabilidad vs compresión para distintos porcentajes de arcilla con diferentes contenidos de agua, así como las gráficas para los valores generales de permeabilidad y compresión, con el fin de analizar y establecer el punto óptimo de RC y permeabilidad a su vez observar la tendencia de los resultados para los dos ensayos en las diferentes muestras, donde la muestra a 6% de Arcila con un 4.8% fue la más óptima de las muestras y para cada muestra se observó que un contenido mayor a 8% de humedad reduce considerablemente las propiedades de RC y permeabilidad de la arena. Por otra parte, la titulación determino que, para la arena de moldeo, el contenido de arcilla activa es de un 17%.
INTRODUCCIÓN
El moldeo en arena es un proceso de conformado utilizado en fundición. Su principal característica es el uso de moldes de arena para dar forma a piezas complejas de casi cualquier aleación. Normalmente, el moldeo en arena tiene un numero de producción baja ya que el molde debe ser destruido para extraer la pieza, obteniendo un acabado superficial regular por lo que es necesario realizar acabados finales. La cohesión es una característica que permite en un proceso físico-químico, la unión de moléculas, para una arena de moldeo es primordial y puede indicar la capacidad de la misma a soportar la manipulación del molde. Esta puede ser producto del aglutinante. Y los porcentajes de humedad que esta posea y que puede aumentar como disminuir propiedades como permeabilidad y resistencia a la
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compresión, siendo estas proporcionales a naturaleza de la arena y sus componentes. Por otra parte, entre los elementos fundamentales de la arena se encuentra el aglutinante que es proporcionada por diferentes tipos de arcillas, en especial las que reaccionan con el agua y producen una cohesión entre sus partículas, estas son denominadas como arcilla activa. El presente trabajo práctico se divide en 3 ensayos y sus objetivos fueron los siguientes: ● Determinar la cantidad de porcentaje de arcilla activa presente en una arena de moldeo. ● Determinar la permeabilidad y la resistencia a la compresión con diferentes porcentajes de humedad y arcilla en una arena moldeo.
2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Para el trabajo práctico se hizo uso de los procedimientos correspondientes para cada práctica, señalados en las referencias 1,2,3. 2. 1 Preparación de muestras para ensayo de permeabilidad y de compresión: En primer lugar, se estableció el conformado de diferentes probetas con diferentes porcentajes de humedad y arcilla, detalladas en la siguiente matriz de muestras: Tabla 1. Matriz de muestras % Humedad % de Arcilla 6 9 12 4 A B C 8 D E F 12 G H I 2.1.a Preparación de muestras de arena mezcladas con diferentes % de arcilla
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2.2 Ensayo de permeabilidad ● Se midió la permeabilidad colocando cada probeta en el permeámetro y levantando la campana con la medida en 0 y luego se dejó caer. ● Se midió el tiempo en cuanto llegara al final. ● Se calculó el valor de la permeabilidad. 2.3 Ensayo de compresión en verde ● Con el uso de un poste de extracción se sacó cada muestra de su molde. ● Cada muestra se colocó en posición dentro de la maquina universal de esfuerzo y se giró la palanca hasta la ruptura de la muestra. ● Se registró cada medida obtenida por muestra. 2.4 Preparación de muestra para titulación Para la titulación se suministró por el laboratorio de fundición muestras de arena de moldeo y arcilla (bentonita) previamente secadas a 100°C en una estufa para eliminar cualquier humedad que pudiese tener. ● Se pesaron 0,5 g de arcilla (muestra patrón) y 5 g de arena de moldeo previamente tamizada. ● Cada muestra fue introducida en un beaker de 250ml y se le agrego 50ml de agua destilada. Seguidamente, se agitó para homogenizar las muestras. ● Luego, se colocaron en la plancha calentadora y se dejaron hervir durante 5min y se mantuvieron a temperatura ambiente hasta enfriarse. ● Posteriormente, se le añadió 2ml de ácido sulfúrico a cada muestra con el uso de una bureta y se agitaron las mezclas para garantizar la homogeneización. 2.5 Titulación ● Para esta etapa se llenó una bureta fija con azul de metileno. ● Seguidamente se procedió a la titulación en la muestra de arena, se tomaba una muestra por cada línea establecida aproximadamente de la bureta con un agitador de vidrio y este se llevaba al papel de filtro.
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● Se observaba constantemente la coloración en el papel de filtro con cada muestra agregada, ya que al saturarse mostraría una mancha de color azul con una aureola de color azul verdoso indicando el final de la titulación. ● El mismo procedimiento se realizó con la muestra de arcilla ● Se registraron los resultados de la muestra de arena y arcilla para la determinación del % de arcilla Activa y la cantidad de azul de metileno en ml utilizada para la Titulación. Tabla 4. Cantidad de ml de azul de metileno utilizados en la titulación Muestra Peso de la Arena (g) Peso de la Arcilla (g) Titulación en ml Arcilla Arena 1 5 0,5 23,7 39
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A continuación, se muestra los resultados representados en una gráfica para el porcentaje de arcilla activa en la arena. Figura 1. Porcentaje de arcilla activa En la figura 1, se muestra donde el 100% corresponde a la arcilla patrón y se obtiene la recta calibrada en donde ubicamos los miligramos de la arena y en donde corte la recta calibrada es el correspondiente al porcentaje de arcilla activa, que en este caso fue de 17%. Es decir, que solo el 17% es capaz de reaccionar con el agua para formar el poder de cohesión en contacto con el agua y permitir suministrar la resistencia a la arena.
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3.2 Resultados para los ensayos de Permeabilidad y compresión. Para los ensayos de permeabilidad se obtuvieron los siguientes resultados de manera general: Tabla 6 Valores obtenidos en RCV y permeabilidad. %Arcilla %Humedad Permeabilidad Tiempo (min) Tiempo (s) Resistencia a la compresion (psi) 6% 4 15,47 3,24^ 194,4^ 8, 8 15,66 3,2^192 8, 12 11,21 4,47 268,2 8, 9% 4 14,78 3,39^ 203,4^ 13, 8 15,47 3,24^ 194,4^ 6, 12 9,69 5,17^ 310,2^ 10, 12% 4 11,90 4,21^ 252,6^ 6, 8 15,81 3,17^ 190,2^ 6, 12 9,79 5,12^ 307,2^ 6,
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arcilla, esto pudo ser debido a la mala preparación de la muestra por lo que ocasiono la tendencia descendente de la curva*. En la mezcla de arcilla al 12%, se obtuvo una tendencia lineal en su comportamiento durante los ensayos de compresión con (6,5 y 6,4psi) en los distintos % de humedad. Se puede observar que para distintas mezclas de arena más arcilla y agua existe un contenido crítico de agua para la resistencia máxima, esto implica que un
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aumento en el contenido de agua promueve enlaces débiles, disminuyendo la cohesión y a su vez la resistencia. Por otro lado, se muestran los resultados de permeabilidad vs el porcentaje de humedad igualmente con las distintas mezclas. Figura 3. Resultados de permeabilidad vs %humedad En la mezcla de arcilla al 6% se muestra que a 4% de humedad la permeabilidad es (15,47) asciende a 8% y disminuye a 12% con (11,21). En la mezcla de arcilla al 9% la permeabilidad a 4% de humedad es de (14,78), asciende igualmente y a 12% la permeabilidad disminuye. En la mezcla de arcilla 12 % se observa que a 4% de humedad la permeabilidad es de (11,9), asciende en 8% y desciende a 12% de humedad con una permeabilidad de (9,79). 15,47 15, 11, 14, 15, 9, 11, 15, 9, 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 Permeabilidad %Humedad Permeabilidad vs Humedad Arcilla 6% Arcilla 9% Arcilla 12%
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Figura 5. Punto óptimo para la mezcla de arcilla 9 % Figura 5. Punto óptimo para la mezcla de arcilla 12 % 14, 15, 9, 13, 6, 10, 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 RCV (psi) Permeabilidad %Humedad Arcilla 9% Permeabilidad RCV (psi) 11, 15, 9, 6,5 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 14 RCV (psi) Permeabilidad %Humedad Arcilla al 12% Permeabilidad RCV (psi)
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Como se observa en las gráficas de RCV vs permeabilidad, para la mezcla de arcilla al 6% en la intersección entre las dos propiedades con un mismo porcentaje de humedad estas descienden, lo que refleja en una pérdida considerable de las propiedades de la aren. Para la muestra al 9% se muestra dos puntos de intersección a diferentes porcentajes de humedad. Sin embargo, se tomó en consideración la primera intersección con los valores más altos. Por otra parte, la tendencia más negativa en la muestra de arcilla al 8% de humedad pudiese corresponder a una mala preparación o manipulación de la muestra. Aunque, considerando que tiene una elevada permeabilidad, es aceptable una resistencia a la compresión más baja. Tabla 4. Puntos óptimos de la arena a diferentes % de arcilla. % Arcilla Humedad% ≈ RCV(psi) Permeabilidad 6% 4.8%≈ 8.87 15. 9% 4.8%≈ 6.40 15. 12% 7.9%≈ 6.58 15. En la tabla 5, podemos definir un aproximado de los porcentajes de humedad que puede tener una arena de moldeo con diferentes porcentajes de arcilla para llegar al punto óptimo de resistencia a la compresión y permeabilidad. Sin embargo, también hay que considerar que hay variables que pudiesen en este caso afectar la RC y a su vez la permeabilidad. Se conoce que a mayor porcentaje de agua aumenta la RC y disminuye la permeabilidad, y que mientras mas arcilla tenga, mas resistencia a la compresión tendrá puesto que es más plástica. Por consecuencia, todo esto es dependiente del tamaño de partícula, el porcentaje de arcilla activa, el porcentaje de humedad y la compresión.
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ANEXOS
Titulación para el porcentaje de arcilla activa.
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Procedimiento para determinar la permeabilidad y la resistencia a la compresión
