estudio experimental del flujo de agua en rellenos de neumáticos troceados fuera de uso
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TÍTULO DEL PROYECTO
Tesina Final de CarreraPuertos
TÍTULO DEL PROYECTO
ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL FLUJO DE AGUA EN RELLENOS DE NEUMÁTICOS TROCEADOS FUERA
DE USO
Autor: FRANCISCO MUDOY VILLALOBOS
Tutor: ENRIQUE ROMERO MORALESANTONIO LLORET MORANCHO
TÍTULO DEL PROYECTO:
I. Caminos Canales y
TÍTULO DEL PROYECTO:
ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL FLUJO DE AGUA EN RELLENOS DE NEUMÁTICOS TROCEADOS FUERA
DE USO
Autor: FRANCISCO MUDOY VILLALOBOS
Tutor: ENRIQUE ROMERO MORALESANTONIO LLORET MORANCHO
JULIO 2008
1. Antecedentes - El neumático
Caucho (látex Hevea Brasilensisrelleno (negro de carbono,
Brasilensis) + Material decarbono, acero…) + Aditivos
1. Antecedentes - El neumático
Producción anual en España de 250000-300000 tn/año
Aproximadamente una acumulación de unos 400 millones de neumáticos usados en la última década
Convirtiéndose así en Neumático Fuera de Uso (NFU), en uno de los residuos que más Convirtiéndose así en Neumático Fuera de Uso (NFU), en uno de los residuos que más caracterizan las sociedades modernas tan dependientes del automóvil
Emisiones de gases que contienen partículas nocivas para el entorno
Problemas debido a su elevada capacidad calorifica
Problemas incendios
No degradables
Arrecifes roedores, insectos…; La reproducción de ciertos mosquitos que transmiten
¿QUÉ HACEMOS?¿QUEMARLOS?
¿ALMACENARLOS?
por picadura fiebres y encefalitis llega a ser 4000 veces mayor en el agua estancada
de un neumático que en la naturaleza (Waste Ideal 2007)
300000 tn/año
Aproximadamente una acumulación de unos 400 millones de neumáticos usados en la
Convirtiéndose así en Neumático Fuera de Uso (NFU), en uno de los residuos que más Convirtiéndose así en Neumático Fuera de Uso (NFU), en uno de los residuos que más caracterizan las sociedades modernas tan dependientes del automóvil
Emisiones de gases que contienen partículas nocivas para el entorno
Problemas debido a su elevada capacidad calorifica
La reproducción de ciertos mosquitos que transmiten
¿ALMACENARLOS?
por picadura fiebres y encefalitis llega a ser 4000 veces mayor en el agua estancada
(Waste Ideal 2007)
1. Antecedentes - El neumático
UNICA SOLUCIÓN VIABLE Y SOSTENIBLE
RECICLAJE Y TRATAMIENTO DE LOS NFU
UNICA SOLUCIÓN VIABLE Y SOSTENIBLE
RECICLAJE Y TRATAMIENTO DE LOS NFU
1ª FASE, RECOGIDA SELECTIVA Y REUTILIZACIÓN
1. Antecedentes - Reciclado y Tratamiento de los NFU
REUTILIZACIÓN
Reciclado y Tratamiento de los NFU
1. Antecedentes - Reciclado y Tratamiento de los NFU
2ª FASE, TÉCNICAS DE RECICLADO Y APLICACIONES
Reciclado y Tratamiento de los NFU
APLICACIONES
2. Aplicaciones a capas drenantes en vertederos
Ventajas:
• Resistencia adecuada • Aislante térmico (heladas)
• Peso reducido • Alta permeabilidad
en vertederos
Aislante térmico (heladas)
Peso reducido • Alta permeabilidad
Desventajas:
• Autocombustión
• Gran deformabilidad
2. Aplicaciones a capas drenantes en vertederos
Especificaciones técnicas (ASTM D6270
• Alta permeabilidad (K
• Espesores mayores de 0.5 m
en vertederos
Especificaciones técnicas (ASTM D6270-98):
Alta permeabilidad (K≥10-3 m/s)
Espesores mayores de 0.5 m
3. Objetivos
A) Estudiar el comportamiento hidráulico de los NFU como material en capas drenantes de los sistemas de recolección de lixiviados y sellado de vertederosvertederos
B) Puesta a punto de un equipo que permita medir la permeabilidad de los NFU
el comportamiento hidráulico de los NFU como material en de los sistemas de recolección de lixiviados y sellado de
Puesta a punto de un equipo que permita medir la permeabilidad de los
4. Metodología Experimental
Determinar la relación entre caudales y gradientes de los NFU en función de diferentes tamaños de partículas y de la porosidad, utilizando un equipo especialmente diseñado en laboratorio.
Determinar la relación entre caudales y gradientes de los NFU en función de diferentes tamaños de partículas y de la porosidad, utilizando un equipo especialmente diseñado en laboratorio.
5. Material utilizado Porosidades iniciales 0.6 - 07
6. Equipo experimental
Edómetro con flujo estacionario
6. Equipo experimental
Dificultades:
• Estanqueidad del sistema
• Alta deformabilidad
• Tamaño de grano considerable• Tamaño de grano considerable
• Homogeneidad del flujo
• Gran adherencia con paredes laterales
• Altas permeabilidadesGradientes pequeños
Caudales grandes
TRANSDUCTOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL (DPT)
Gradientes pequeños
Caudales grandesIMPEDANCIA DEL SISTEMA
MEDIDA LATERAL DE LOS GRADIENTES
TRANSDUCTOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL CON ALTA RESOLUCIÓN
6. Equipo experimental
Celda edométrica
Células de carga
LVDT (desplazamiento)
DPTDPT
Equipo auxiliar
Caja electrónica y programa informático de adquisición de datosCaja electrónica y programa informático de adquisición de datos
6. Equipo experimental
Celda edométrica
6. Equipo experimental
Células de carga
6. Equipo experimental
LVDT (desplazamiento)
TRANSDUCTOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL (DPT)
TRANSDUCTOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL
6. Equipo experimental
DPTDPT
TRANSDUCTOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL (DPT)
TRANSDUCTOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL
6. Equipo experimental
Equipo auxiliar
6. Equipo experimental
7. Procedimiento de ensayo
1) Colocación muestra sin compactar; n = 0.6
2) Aplicación carga vertical registrando la deformación vertical
x va
rios
tam
años
3) Aplicación flujo vertical
4) En condiciones estacionarias, medida de la respuesta del DPT
5) En condiciones estacionarias, medida del caudal
6) En condiciones estacionarias, medida de la deformación inducida por el flujo
x va
rios
caud
ales
x va
rias
carg
as
x va
rios
tam
años
Colocación muestra sin compactar; n = 0.6 – 0.7
Aplicación carga vertical registrando la deformación vertical
En condiciones estacionarias, medida de la respuesta del DPT
En condiciones estacionarias, medida del caudal
En condiciones estacionarias, medida de la deformación
8. Resultados
Compresibilidad
60
Def
orm
ació
n v
erti
cal (
%)
10
20
30
40
50
Def
orm
ació
n v
erti
cal (
%)
0
0 100 200
Tensión vertical promedio
1-UPC7
3-UPC25
4-UPC25
6-UPC50
7-UPC50
300 400
promedio (kPa)
8. Resultados
Compresibilidad
0,8
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Po
rosi
dad
0,2
0,3
1 10
Tensión vertical promedio
1-UPC7
3-UPC25
4-UPC25
6-UPC50
7-UPC50
5-UPC25
100 1000
promedio (kPa)
8. Resultados
Relación Gradiente – Caudal unitario
1,2E-03
4,0E-04
6,0E-04
8,0E-04
1,0E-03
Cau
dal
un
itar
io (
m3/
m2/
s)
0,0E+00
2,0E-04
0 0,2 0,4
Gradiente
1-UPC7-n0.38
2-UPC7-n0.42
3-UPC25-n0.48
3-UPC25-n0.43
4-UPC25-n0.49
4-UPC25-n0.44
5-UPC25-n0.43
6-UPC50-n0.47
0,6 0,8
7-UPC50-n0.52
7-UPC50-n0.47
8. Resultados
Relación Gradiente – Caudal unitario
1,2E-03
4,0E-04
6,0E-04
8,0E-04
1,0E-03
Cau
dal
un
itar
io (
m3/
m2/
s)
0,0E+00
2,0E-04
0 0,05
Gradiente
1-UPC7-n0.38
3-UPC25-n0.48
3-UPC25-n0.43
4-UPC25-n0.49
4-UPC25-n0.44
5-UPC25-n0.43
6-UPC50-n0.47
7-UPC50-n0.52
0,1 0,15
7-UPC50-n0.52
7-UPC50-n0.47
8. Resultados
Relación Gradiente – Caudal unitario
7
2
3
4
5
6
Per
mea
biii
dad
(cm
/s)
0
1
0,0E+00 2,0E-04 4,0E-04 6,0E-04 8,0E
Caudal unitario (m3/m2/s)
1-UPC7-n0.38
2-UPC7-n0.42
3-UPC25-n0.48
3-UPC25-n0.43
4-UPC25-n0.49
4-UPC25-n0.44
5-UPC25-n0.43
8,0E-04 1,0E-03 1,2E-03
Caudal unitario (m3/m2/s)
7-UPC50-n0.47
8. Resultados
Permeabilidad
100
0,1
1
10
Per
mea
bili
dad
(cm
/s)
0,01
0 100 200
Tensión vertical promedio (kPa
1-UPC7
2-UPC7
4-UPC25
5-UPC25
6-UPC50
7-UPC50
3-UPC25
300 400
kPa)
8. Resultados
Permeabilidad
100
0,1
1
10
Per
mea
bili
dad
(cm
/s)
0,01
0 0,2 0,4
Per
mea
bili
dad
(cm
/s)
Porosidad
1-UPC7
4-UPC25
7-UPC50
3-UPC25
0,6 0,8
9. Interpretación de resultados
Formulación teórica de la permeabilidad, Kozeny
2
2
3
)1(5
1
⋅
−⋅⋅=
αη
γ D
n
nK w
espesor
D
V
A
D=→= α
α
Formulación teórica de la permeabilidad, Kozeny – Carman (Bear, 1972)
UPC 7 UPC 25 UPC 50
α 10 21,48 31,75
9. Interpretación de resultados
Formulación teórica de la permeabilidad, Kozeny
2
2
3
)1(5
1
⋅
−⋅⋅=
αη
γ D
n
nK w
1
10
100
Per
mea
bili
dad
med
ida
(cm
/s)
0,01
0,1
0,01 0,1 1
Per
mea
bili
dad
med
ida
(cm
/s)
Permeabilidad teórica (cm/s)
Formulación teórica de la permeabilidad, Kozeny – Carman (Bear, 1972)
UPC 7 UPC 25 UPC 50
α 10 21,48 31,75
y = 0,082xy = 0,082xR² = 0,423
10 100
Permeabilidad teórica (cm/s)
9. Interpretación de resultados
Otras expresiones :
2DK ⋅= β 2
2
3
)1(D
n
nK ⋅
−⋅= β
1
10
100
Per
mea
bili
dad
(cm
/s)
0,01
0,1
0 2 4
Per
mea
bili
dad
(cm
/s)
2DeK ⋅⋅= χβ
β = 0,738R² = 0,110
6 8 10 12 14
D^2(cm)
9. Interpretación de resultados
Otras expresiones :
2DK ⋅= β 2
2
3
)1(D
n
nK ⋅
−⋅= β
1
10
100
Per
mea
bili
dad
(cm
/s)
0,01
0,1
0 2
Per
mea
bili
dad
(cm
/s)
n
2DeK ⋅⋅= χβ
β = 2,037R² = 0,500
4 6 8 10
n3/(1-n)2 x D2
9. Interpretación de resultados
Otras expresiones :
2DK ⋅= β 2
2
3
)1(D
n
nK ⋅
−⋅= β
1
10
100
Per
mea
bili
dad
(cm
/s)
0,01
0,1
0 5
Per
mea
bili
dad
(cm
/s)
2DeK ⋅⋅= χβ
β = 0.936Χ = 3.02
R² = 0,537
10 15 20 25
eχ x D2
9. Interpretación de resultados
Diferenciación por rango de porosidad
y = 1,813xR² = 0,885
100
R² = 0,885
y = 0,586xR² = 0,217
0,1
1
10
Per
mea
bili
dad
(cm
/s)
0,01
0 5 10
e3.02 x D2
y = 0,796xR² = 0,577
y = 0,586xR² = 0,217
n=0.60-0.69
n=0.50-0.59
n=0.40-0.49
Lineal (n=0.60-0.69)Lineal (n=0.50-0.59)
15 20
e3.02 x D2
0.59)
9. Interpretación de resultados
Diferenciación por tamaño de la partícula
y = 0,983x
100
y = 0,983xR² = 0,404
0,1
1
10
Per
mea
bili
dad
(cm
/s)
y = 1,549xR² = 0,765
0,01
0 5 10
e3.02 x D
y = 0,983x
y = 0,914xR² = 0,418
y = 0,983xR² = 0,404
UPC7
UPC25
UPC50
15 20 25
x D2
UPC50
9. Interpretación de resultados
Ábaco de correlación
100
1
10
Per
mea
bili
dad
(cm
/s)
0,01
0,1
0 5 10 15
e3.02 x D2
UPC7-n=0.60-0.69
UPC7-n=0.40-0.49
UPC7-n=0.30-0.39
UPC25-n=0.60-0.69
UPC25-n=0.50-0.59
UPC25-n=0.40-0.49
UPC50-n=0.50-0.59
UPC50-n=0.40-0.49
20 25
Z
Zmin
Zmax
β=0.9363βmin=0.5861βmáx=1.8131
9. Interpretación de resultados
Ábaco de correlación
100
1
10
Per
mea
bili
dad
(cm
/s)
0,01
0,1
0 1 2 3
e3.02 x D2
UPC7-n=0.60-0.69
UPC7-n=0.40-0.49
UPC7-n=0.30-0.39
UPC25-n=0.60-0.69
UPC25-n=0.50-0.59
UPC25-n=0.40-0.49
UPC50-n=0.50-0.59
UPC50-n=0.40-0.49
4 5
Z
Zmin
Zmax
β=0.9363βmin=0.5861βmáx=1.8131
9. Interpretación de resultados
1000
Ábaco de correlación. Comparación con ensayos de otros autores
1
10
100
Per
mea
bili
dad
(cm
/s)
0,01
0,1
0 50 100
e3.02 x D2
UPC7-n=0.60-0.69
UPC7-n=0.40-0.49
UPC7-n=0.30-0.39
Ábaco de correlación. Comparación con ensayos de otros autores
UPC7-n=0.30-0.39
UPC25-n=0.60-0.69
UPC25-n=0.50-0.59
UPC25-n=0.40-0.49
UPC50-n=0.50-0.59
UPC50-n=0.40-0.49
Z
Zminβmin=0.5861
β=0.9363
150 200
Zmin
Zmax
Aydilek-50-n=0.50-0.59
Warith&Rao-50-n=0.40-0.49
Aydilek-50-n=0.60-0.69
Warith&Rao-50-n=0.50-0.59
βmin=0.5861βmáx=1.8131
9. Interpretación de resultados
Ábaco de correlación. Comparación con ensayos de otros autores
100
1
10
Per
mea
bili
dad
(cm
/s)
0,01
0,1
0 5 10 15 20
e3.02 x D2
Ábaco de correlación. Comparación con ensayos de otros autores
UPC7-n=0.60-0.69
UPC7-n=0.40-0.49
UPC7-n=0.30-0.39UPC7-n=0.30-0.39
UPC25-n=0.60-0.69
UPC25-n=0.50-0.59
UPC25-n=0.40-0.49
UPC50-n=0.50-0.59
UPC50-n=0.40-0.49
Z
Zminβmin=0.5861
β=0.9363
20 25 30
Zmin
Zmax
Aydilek-50-n=0.50-0.59
Warith&Rao-50-n=0.40-0.49
Aydilek-50-n=0.60-0.69
Warith&Rao-50-n=0.50-0.59
βmin=0.5861βmáx=1.8131
9. Interpretación de resultados
Estudio del tipo de flujo y el número de Reynolds
αν50
1
4Re
D
n
qp ⋅
−⋅=
22
1
⋅⋅⋅=
n
q
giDf
Factor de fricción vs número de Reynolds (Bear, 1988)
UPC 7 UPC 25 UPC 50
Clasificación esquemática de los flujos en medio poroso a partir de f y Re (Bear 1988)
UPC 7 UPC 25 UPC 50
α 10 � 48 21,48 � 65 31,75 � 74
9. Interpretación de resultados
1,0E+03
1,0E+04
1,0E+05
Fac
tor
de
fric
ció
nf
1,0E+01
1,0E+02
1,0E-02 1,0E-01 1,0E+00 1,0E+01
Fac
tor
de
1,0E+04
1,0E+05
Fac
tor
de
fric
ció
n f
1,0E+01
1,0E+02
1,0E+03
1,0E+04
1,0E-02 1,0E-01 1,0E+00 1,0E+01
Fac
tor
de
fric
ció
n f
UPC7
UPC25
1,0E+01 1,0E+02 1,0E+03
Re
UPC25
UPC50
1,0E+01 1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04
Re
UPC7
UPC25
UPC50
10. Conclusiones y futuras líneas de investigación
• Los NFU son altamente compresibles, habrádimensionar el ancho de capa para que sea mayor
• El uso de un transductor de presión diferencialmétodos ordinarios de medida de permeabilidad
• La norma exige que las capas drenantessuperior a 10-3 m/s. Este hecho se cumple enun punto para el tamaño UPC 7, llegando a compresiones
• El rango de las permeabilidades obtenidasprevios, ratificando su validez para este uso
• En grandes rasgos la permeabilidad de unsu porosidad y tamaño del grano según la siguientesu porosidad y tamaño del grano según la siguiente
donde β dependerá de la porosidad y del propioentre 1.81 (cota superior) y 0.59 (cota inferior),Valores más que aceptables para flujo laminar
• Con este uso se potenciaría el reciclaje derespecto a la utilización de otros granulares comoes muy económico para tamaños superiores a
202.3DeK ⋅⋅= β
10. Conclusiones y futuras líneas de investigación
habrá que tenerlo en cuenta a la hora demayor de 0.5 m
diferencial a supuesto un gran avance respecto apermeabilidad
de los vertederos tengan una permeabilidadtodos los ensayos realizados a excepción de
compresiones superiores a los 350 kPa
obtenidas es similar al de otros estudios
NFU troceado puede ser estimada a partir desiguiente formulación:siguiente formulación:
propio tamaño, pero en general tendrá valoresinferior), tomando β = 0.94 como valor medio.
laminar
los NFU. Además este uso abarataría costescomo gravas, dado que el proceso de troceadoa los 20 mm
10. Conclusiones y futuras líneas de investigación
Futuras líneas de investigación:
Evaluar el comportamiento del NFU troceado para flujos no laminares. De esta forma se podrán obtener una mayor gama de números de Reynolds y estudiar el comportamiento de los NFU en condiciones de flujo transitorio y/o turbulento. A su vez se podría comprobar si el parámetro de forma es un parámetro puramente físico, o más bien de ajuste.parámetro de forma es un parámetro puramente físico, o más bien de ajuste.
No menos importante sería realizar un estudio del comportamiento hidráulico de mezclas de NFU + Suelo, así como su segregación
10. Conclusiones y futuras líneas de investigación
Evaluar el comportamiento del NFU troceado para flujos no laminares. De esta forma se podrán obtener una mayor gama de números de Reynolds y estudiar el comportamiento de los NFU en condiciones de flujo transitorio y/o turbulento. A su vez se podría comprobar si el parámetro de forma es un parámetro puramente físico, o más bien de ajuste.parámetro de forma es un parámetro puramente físico, o más bien de ajuste.
No menos importante sería realizar un estudio del comportamiento hidráulico de mezclas de