Respuestas Año 13 No. 2 Diciembre 2008 ISSN 0122-820X
Directivos Universidad Francisco de Paula Santander Hector Miguel Parra López Rector Jesús Ernesto Urbina Cárdenas Vicerrector Académico Sergio Ivan Quintero Ayala Vicerrector Administrativo Carlos Humberto Acevedo Peñaloza Vicerrector de Bienestar Universitario Jorge Sánchez Molina Vicerrector Asistente de Investigación y Extensión
REVISTA DE LA UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER San José de Cúcuta, Diciembre de 2008 No. 2 ISSN 0122-820X Publicación científica que presenta la producción de trabajos de investigación de la Universidad Francisco de Paula Santander y la comunidad científica en general. Está abierta a ensayos, artículos de divulgación científica, de revisión, de reflexión y a informes de investigación de todas las ramas del saber, cuya calidad se determinará por el grado de innovación y por el cambio del estado del conocimiento que presenten los artículos publicados. Periodicidad Semestral Presentación
Olga Marina Vega Angarita Vicerrector Asistente de Estudio Coordinación y dirección general Jorge Sánchez Molina, Esp. Comité editorial Pablo Pastor Mogollón Sánchez, Ph.D. Universidad Francisco de Paula Santander José Ignacio Huertas, Ph.D. Centro de Investigación en Ingeniería AutomotrízCIMA. Tecnológico de Monterrey Florentino Malaver Rodríguez, Ph.D. Pontificia Universidad Javeriana José Humberto Escalante, Ph.D. Universidad Industrial de Santander Jesús Ernesto Urbina Cárdenas, M.Sc. Universidad Francisco de Paula Santander Jorge Fernando Márquez Peñaranda, M.Sc. Universidad Francisco de Paula Santander
Todos los artículos recibidos se someten antes de su publicación a la revisión crítica de pares evaluadores externos.
Comité científico
Los autores de los trabajos asumen toda responsabilidad que pudiera derivarse de los mismos.
Héctor Jaime Dulce Moreno, Ph.D. Universidad Francisco de Paula Santander
Los artículos publicados en esta revista se pueden reproducir total o parcialmente, citando la fuente y el autor. Diseño, diagramación e impresión Offset La Opinión S.A. 5710632 Cúcuta, Colombia Admitida en el Indice Bibliografico Nacional PUBLINDEX, Colciencias, categoría C.
Carmen Leonor Barajas, Ph.D. Universidad Francisco de Paula Santander
Wencel De la Cruz Hernández, Ph.D. Universidad Nacional Autónoma de México Marco Antonio Márquez Godoy, Ph.D. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín. Editor Gabriel Peña Rodríguez, Ph.D. Asistente editor Ing. Yebrail Alexis Romero Arcos
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Agradecimientos a los pares evaluadores año 2008 Ph.D. Giner Alor Hernández Ph.D. Carlos Felipe Urazan. M.Sc. Juan Carlos Ruge Cárdenas. M.Sc. Lina Patricia Vega Garzón. M.Sc. Dora Isabel Giraldo Montoya Ph.D. Renata Virginia González Consuegra M.Sc. Nubia Medina Arias M.Sc. Luz Marina Herrera León Ph.D. Jairo Armando Cardona Bedoya Ph.D. José Edgar Alfonso Ph.D. Wencel De La Cruz Hernandez. Ph.D. Juan Antonio Contreras Montes M.Sc. José Danilo Rairán Antolines M.Sc. Javier Mauricio Antelis Ortiz Ph.D. José Herman Muñoz Ñungo Ph.D. Alejandro Chaparro Giraldo. M.Sc. Fernando Gordillo Delgado. Ph.D. Germán Castellanos Domínguez. M.Sc. Gladys Inés Cardona Vanegas. Ph.D. Hector Jaime Dulce Moreno. Ph.D. Hernán Javier Herrera Suárez. Ph.D. Jairo Roa Rojas.
Ph.D. José Luís Villa Ramírez. M.Sc. Lucy Barrera Ortiz. M.Sc. Lucy Muñoz de Rodríguez. M.Sc. María Nubia Romero Ballén. M.Sc. Natividad Pinto Afanador. M.Sc. Nelson Osvaldo Valero Valero.
Agradecimientos
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Contenido
ISSN 0122-820X
Editorial Influencia del tipo de sinterizado en el comportamiento anticorrosivo de recubrimientos sol-gel
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Influence of the synterized type on the anticorrosive behavior of the sol-gel coatings Análisis multivariado de indicadores socioeconómicoproductivos del ganado caprino-ovino en el departamento de La Guajira, Colombia Multivariety analysis from the socioeconomical indicators of the ovine caprine-cattle in the department of La Guajira, Colombia. Estabilización química de suelos expansivos de San José de Cúcuta (Colombia) usando cenizas volantes
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Chemical stabilization of expansive soils in San José de Cúcuta (Colombia) by using fly ash Aplicación Web para la visualización de imágenes médicas MEDICOMWEB
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Web Application for Medical Images Visualization MEDICOMWEB Gestación y desplazamiento: fusión de prácticas para el bienestar del hijo Pregnancy and displacement: merger of practice for the welfare of the unborn child
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Editorial
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Editorial
Diciembre 2008
l 15 de diciembre de 2008, el Congreso de la República aprobó por unanimidad la nueva Ley de Ciencia, Tecnología e Innovación, la cual modifica la Ley 29 de 1990, que hasta la fecha dictaba las disposiciones en materia de investigación científica y el desarrollo tecnológico en Colombia. Los proponentes de esta iniciativa fueron, Martha Lucía Ramírez, senadora y Jaime Restrepo, representante a la Cámara, la cual entrará en vigencia tan pronto sea sancionada por el Presidente de la República.
Con esta nueva Ley, el Instituto Colombiano de Investigaciones Científicas y Proyectos Especiales Francisco José de Caldas (Colciencias), se transforma de un ente público a un Departamento Administrativo con autonomía presupuestal, tal como se desempeña el Departamento Nacional de Planeación. Lo anterior implica que el director de Colciencias ocupará un lugar en el Consejo de Ministros y en el Consejo Nacional de Política Económica y Social (CONPES), así mismo, Colciencias administrara el Fondo Nacional de Financiamiento para la Ciencia, la Tecnología y la Innovación, creado con patrimonio autónomo a través de un contrato de fiducia mercantil; el cual se encargará de la gestión de los recursos públicos e internacionales, de promover la vinculación de capital privado en el desarrollo de la actividad científica, tecnológica y de innovación en el País, así como, de administrar los recursos otorgados por el Fondo Nacional de Regalías. También, la nueva Ley, autoriza a los Departamentos y Municipios a invertir de sus recursos propios, en proyectos de investigación científica que respondan a los planes de desarrollo departamental y municipal.
Según lo afirma el Representante a la Cámara Jaime Restrepo, “esta ley busca darle valor agregado a todos los productos y servicios en el País y crear una nueva industria nacional de base tecnológica, que posibilite el desarrollo productivo a largo plazo y ofrezca empleos más estables a los Colombianos, permitiendo invertir el 1% del Producto Interno Bruto en investigación y desarrollo”
Al parecer, según esta nueva Ley, las universidades públicas tendrán una fuente de ingreso adicional a las que establece la ley 30 de 1992. Razón por la cual las obliga a replantear el rol que han venido desempeñando en materia de investigación científica, tecnológica y de innovación en el País; propiciando en un cambio de paradigma, desde una concepción tradicional, en la cual las universidades o instituciones académicas son las encargadas de realizar las actividades de investigación científica, tecnológica y humanística como objeto de su misión social, donde los resultados de estas pesquisas son propiedad de la universidad, hacia una alternativa caracterizada por la necesidad de formular programas agresivos y novedosos de vinculación con el sector productivo de bienes y servicios, no solo para mantener su estatus de universidad ante la sociedad, sino para obtener los ingresos adicionales que la nueva Ley permitirá. Por lo tanto, a Colciencias, le queda ahora la tarea de proponer nuevos mecanismos fiscales que permitan a los sectores productivos privados, participar rápida y coherentemente en la formación de investigadores, así como en la generación de conocimientos científicos y tecnológicos propios.
En conclusión, no basta con que el Congreso de la República reconozca a la ciencia, la tecnología y la innovación como una forma para el desarrollo económico, cultural y social del País, sino existe una política científica en el País, qué motive a través de planes y programas concretos a corto plazo la vinculación del sector productivo con las universidades públicas, que permita a éstas instituciones dedicadas a hacer investigación, continuar y fortalecer esta tarea, y por otra parte, generar confianza y condiciones para que los sectores productivos inviertan en investigación y desarrollo.
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Influencia del tipo de sinterizado en el comportamiento anticorrosivo de recubrimientos sol-gel Jorge Hernando Bautista-Ruiz1*
César Ortiz1
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Enrique Vera1
Resumen Recibido: 18 de agosto de 2008 Aceptado: 20 de noviembre de 2008
Este trabajo muestra un estudio electroquímico de recubrimientos SiO2 TiO2 ZrO2 obtenidos por el método sol-gel, sinterizados vía plasma y vía convencional. Los recubrimientos se conformaron a partir de Si(OC2H5)4, Ti(OBu)4 y Zr(OC3H7)4, se depositaron sobre sustratos de acero ANSI/304 mediante dip-coating en monocapa y bicapa. El proceso de densificado vía plasma se realizó a temperaturas del sustrato de 250 ºC, 300 ºC y 330 ºC y el convencional a 400 ºC y a una velocidad de calentamiento de 2 ºC/min. El comportamiento anticorrosivo se estudió mediante las técnicas de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) y Tafel. Se observó que el proceso de sinterización vía plasma, mejora la resistencia a la corrosión con respecto al método convencional. Palabras clave: sol-gel, corrosión, plasma, EIS, Tafel.
Abstract
1. GRUPO DE SUPERFICIES, ELECTROQUÍMICA Y CORROSIÓN –GSEC-. Escuela de Física, Facultad de Ciencias. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Av. Central del Norte, Tunja, Boyacá, Colombia. Tel: 57 (8) 7422360.
*
[email protected]
This work shows a comparative electrochemical study among the anticorrosive properties of coatings SiO2 TiO2 ZrO2 obtained by the method sol-gel and plasma sintering process and conventional. The coatings conformed to starting from Si(OC2H5)4, Ti(OBu)4 and Zr(OC3H7)4. These were deposited on steel substrate 304 by means of dip-coating in mono-layer and bi-layer. The plasma sintering process was carried out to temperatures of the substrate of 250 ºC, 300 ºC and 330 ºC and the conventional to 400 ºC and a speed of heating of 2 ºC/min. the anticorrosive behavior was studied by means of the techniques of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and Tafel. It was observed that the plasma sintering process, it improves the resistance to the corrosive attack to in regard to the conventional method. Keywords: sol-gel, corrosion, plasma, EIS, Tafel
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Influencia del tipo de sinterizado en el comportamiento anticorrosivo de recubrimientos sol-gel
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Introducción
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l procedimiento sol-gel es uno de los métodos de síntesis de materiales que presenta gran interés en la actualidad [1, 2, 3]. Este procedimiento consta de tres etapas: la preparación del sol, la gelación del mismo y la eliminación del solvente [1]. El sol puede producirse a partir de una sal inorgánica o un precursor molecular, esencialmente metal-alcóxidos. En el seno del sistema se forma una red molecular debido a reacciones de condensación de especies hidrolizadas, y la microestructura que se conforma depende fuertemente de las condiciones experimentales. La hidrólisis del precursor molecular, su reacción con el agua, usualmente se realiza en presencia de un catalizador ácido o básico el cual permite un control de la velocidad y extensión de la reacción de hidrólisis. Diferentes ácidos han sido usados: HCl, HNO3 o CH3COOH. El mayor problema que se presenta, en la obtención de cerámicos multicomponentes, es la conformación de un gel homogéneo debido a que las velocidades de hidrólisis y condensación de los metalalcóxidos correspondientes a los cationes de interés pueden ser diferentes. El sistema estudiado en este trabajo es el SiO2-TiO2-ZrO2, aplicado, sobre sustratos de acero AISI/304, en monocapa y bicapa [4]. Con este sistema es posible la elaboración de recubrimientos cerámicos que presenten baja expansión térmica, alto índice de refracción [5], y también como recubrimientos antirreflectivos o anticorrosivos [6].
En la evaluación de propiedades dieléctricas, de los recubrimientos, se utiliza la técnica EIS (Espectroscopia de impedancia electroquímica) [7, 8, 9, 10, 11]. Adicionalmente, se evalúan las propiedades anticorrosivas de las películas mediante diagramas de Tafel
Desarrollo experimental Para la elaboración del sistema SiO2 TiO2 ZrO2
(sol) se utilizan como precursores Tetraethyl ortosilacate TEOS Si(OC2H5)4, Zirconium (IV) butoxide, Zr(OC3H7)4 y Titanium (IV) butoxide, Ti(OBu)4. Como solvente etanol, EtOH y como acomplejante ACAC. La figura 1, muestra el proceso desarrollado para la conformación del sol estable. El sol del sistema SiO2 TiO2 ZrO2, se aplicó sobre chapas de acero AISI/304 de dimensiones 3,5 cm x 2,50 cm x 0,32 cm, pulidas a brillo metalográfico, desengrasadas a ultrasonido con acetona y secadas con aire caliente. El paso siguiente fue conformar las películas mediante la técnica “Dip coating”, utilizando una velocidad de extracción de 3,67 cm/min previa elaboración del sol estable, en una concentración de los precursores Si/Ti/Zr: 10/70/20. El tiempo de envejecimiento del sol fue de 320 horas. Figura 1. Proceso para la preparación del sol estable.
La sinterización convencional de las películas se realizó a una velocidad de calentamiento de 2 ºC/min. Para la monocapa, durante una hora se mantiene la temperatura constante en 300 ºC, luego se aumenta a 400 ºC por media hora. Para la bicapa, el tratamiento térmico fue a 100 ºC durante una hora, posteriormente a 200 ºC para un tiempo de media hora. En la sinterización vía plasma, los sustratos de acero recubiertos en monocapa y bicapa son ubicados sobre el ánodo del reactor el cual se lleva a un vacío de 0,2 Torr. Entre los electrodos se aplica una diferencia de
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potencial de 600V generando una descarga luminiscente DG (glow discharge) estable. Posteriormente se ajusta la variación del flujo de aire hasta obtener la temperatura de 330 ºC, censada en el volumen del sustrato. Este tratamiento se mantiene durante 2 horas. Para los estudios de EIS se utilizó un equipo Gamry Instruments; este dispositivo consta de tres electrodos, un electrodo de referencia (Ag/AgCl), un contraelectrodo de platino y un electrodo de trabajo que es la pieza a ensayar. La frecuencia de barrido de la prueba, comprende un rango entre 0,01 Hz y 105 Hz. La amplitud de la señal sinusoidal utilizada es de 10 mV, en un área de exposición de 0,5 cm2 utilizando como solución de trabajo HCl al 3% con pH de 2,83. Los diagramas de Tafel se obtuvieron en un rango de –0,2 V a 0,2 V con un barrido de 0,5 mV/s. Estas condiciones de estudio se mantuvieron tanto para las películas sinterizadas por vía plasma como convencional.
que aumenta el número de capas, obteniéndose un mayor valor para la bicapa. Este aumento en el valor de la resistencia a la polarización Rp se correlaciona con la susceptibilidad que presentan los recubrimientos frente al proceso de corrosión [10]. Es de resaltar que al aumentar el número de capas cerámicas depositadas sobre el sustrato se optimiza la acción anticorrosiva, siendo la solución de HCl al 3 % un agente muy agresivo. El mejor comportamiento anticorrosivo está ligado a una buena sinterización del recubrimiento. Adicionalmente, se aprecia que la resistencia de la solución de trabajo (Rs) tiene un valor promedio de 12,74 .
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Figura 2. Diagramas de Bode, (a) sinterizado vía plasma y (b) sinterizado convencional.
Resultados y discusión Espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) Esencialmente los análisis EIS se centran en determinar los valores de resistencia a la polarización (Rp), la cual representa la oposición al paso de los iones de la solución de trabajo al sustrato, impidiendo que las probetas de acero se corroan. En general, cuando un recubrimiento registra un alto valor de Rp es posible concluir que es un buen protector anticorrosivo. En la figura 2, se muestran los diagramas Bode para los recubrimientos sinterizados vía plasma y convencional. Se observa la correlación de la información obtenida mediante EIS de la impedancia y la frecuencia, para el sustrato AISI/304 y los recubrimientos en monocapa y bicapa. Se evidencia que la resistencia a la polarización Rp crece a medida
(a)
(b)
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Tabla 1. Valores de Rp para el sustrato y los recubrimientos sinterizados vía plasma y convencional.
La tabla 1, registra los valores de Rp tanto del sustrato como de los recubrimientos cerámicos aplicados en monocapa y bicapa, obtenidas por los procesos de sinterización vía plasma y convencional. Estos valores son obtenidos de los diagramas de Bode de la figuras 2. Los resultados de Rp muestran una tendencia a aumentar en relación con el número de capas aplicadas sobre el sustrato. El mejor desempeño anticorrosivo se presenta en la bicapa sinterizada vía plasma, aunque el comportamiento frente a la corrosión de la monocapa es considerable con respecto a la repuesta a la corrosión del sustrato AISI/304. En general el aumento de la resistencia a la polarización Rp es directamente proporcional a número de capas aplicadas y a la temperatura a la cual se realiza el tratamiento de sinterizado. El proceso de sinterización vía convencional también aporta un aumento en la resistencia a la polarización si se compara con el sustrato. Según el estudio, la sinterización vía plasma permite en bicapa obtener los mejores resultados en cuanto a resistencia a la polarización.
Curvas de Tafel
positivos, si se compara con el potencial del sustrato. Este comportamiento es similar en cuanto al número de películas obtenidas por el proceso de sinterización vía convencional. Esto indica que el sistema Si/Ti/Zr protege frente a fenómenos de corrosión, corroborando de esta manera lo obtenido en los análisis de EIS. Es de resaltar, en el proceso de sinterizados vía plasma, el buen desempeño anticorrosivo de los recubrimientos en bicapa con respecto a los recubrimientos en monocapa. Esto se coteja con los valores altos de resistencia a la polarización que se obtuvieron en los análisis EIS. Para los recubrimientos obtenidos por sinterizado vía convencional, se observa efectividad anticorrosiva de las películas según el número de capas aplicadas, pero comparando los dos procesos de sinterizado, el vía plasma arroja los mejores resultados. Figura 3. Diagramas de Tafel para el sustrato AISI/304 y los recubrimientos en monocapa y bicapa (a) sinterizados vía plasma y (b) sinterizados por vía convencional.
(a)
En la figura 3, se presentan las gráficas de los diagramas de Tafel para el sustrato AISI/304 y los recubrimientos en monocapa y bicapa sinterizadas vía plasma y vía convencional. De ésta se obtiene información referente al potencial, la corriente y la velocidad de corrosión, cuando los recubrimientos se encuentran inmersos en la solución de HCl al 3%. En general, el potencial de corrosión de los recubrimientos tiende a tomar valores más
(b)
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En la tabla 2, 3 y 4 se reportan los valores del potencial, corriente y velocidad de corrosión para el sustrato y los recubrimientos en monocapa y bicapa según el proceso de sinterizado vía plasma y convencional. Un factor importante a tener en cuenta cuando se desarrollan estudios electroquímicos, son los valores de velocidad de corrosión. Una óptima película protectora a la corrosión es aquella que ofrece valores muy bajos de velocidad de corrosión. Esto permite afirmar que la película actúa como una barrera eficiente ante el ataque de los iones presente en la solución. Tabla 2. Valores del potencial de corrosión, para el sustrato y los recubrimientos en monocapa y bicapa sinterizados vía plasma y convencional.
Tabla 3. Valores de corrientes de corrosión, para el sustrato y los recubrimientos en monocapa y bicapa sinterizados vía plasma y convencional.
Tabla 4. Valores de velocidad de corrosión, para el sustrato y los recubrimientos en monocapa y bicapa sinterizados vía plasma y convencional.
De los resultados anteriores, se aprecia que el proceso de sinterización vía plasma es más eficiente que el convencional. Esta eficiencia radica en que para el proceso convencional el calentamiento del sustrato es volumétrico, mientras que para proceso vía plasma el calentamiento es superficial.
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Cuando se densifican películas cerámicas vía convencional sobre sustratos de acero AISI/304 es muy importante tener en cuenta la inestabilidad del sustrato a temperaturas mayores de 500ºC, debido a la precipitación, en las fronteras de grano, de carburos de cromo. Por el contrario, la sinterización vía plasma ofrece un tratamiento térmico superficial a mayores temperaturas; esto favorece la sinterización de los recubrimientos permitiendo un óptimo sellado de los mismos y lo más importante, no produce sensibilización del sustrato. También se comprobó que un sistema rico en titanio [10, 11] en la composición de películas cerámicas, permite obtener una alto grado de efectividad que evita el ataque de los iones cloruro al sustrato AISI/304, efecto que tiene mayor incidencia al aumentar el número de capas aplicadas. Los resultados obtenidos, se relacionan con la caracterización superficial, buenos recubrimientos anticorrosivos presentan buena homogeneidad y pocas imperfecciones.
Conclusiones Se concluye que la eficiencia del comportamiento anticorrosivo de las películas se da por un factor importante, el número de capas aplicadas al sustrato. A medida que aumenta el número de capas, las películas posteriores homogenizan la superficie de las primeras capas mediante el sellamiento de poros y grietas. Del estudio experimental se comprobó la viabilidad de desarrollar el proceso de sinterización vía plasma de recubrimiento
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en monocapa y bicapa del sistema ternario SiO2 TiO2 ZrO2 en la concentración Si/Ti/ Zr: 10/70/20 aplicados sobre el sustrato de acero AISI/304 por la técnica de deposición por inmersión (Dip-coating). Esta viabilidad se refleja en los resultados encontrados, en especial los referentes a corrientes de corrosión. Los recubrimientos en bicapa sinterizados vía plasma muestran menor susceptibilidad a la corrosión según análisis electroquímico; las velocidades de corrosión disminuyeron en tres órdenes de magnitud con respecto al sustrato de acero AISI/304.
Agradecimientos Esta investigación fue financiada por el Instituto Colombiano para el Desarrollo de la Ciencia y la Tecnología “Francisco José de Caldas”-COLCIENCIAS, en el marco de desarrollo del proyecto: “Recubrimientos cerámicos e híbridos funcionales con resistencia a la corrosión y con propiedades ópticas”, código 1109-06-17621.
Bibliografía 1. C. J. Brinker, G. W. Scherer, “Sol-Gel Science: the physics and chemistry of solgel processing”; 1990, Academic Press, Inc.
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2. L. L. Hech, “Science of Ceramic Chemical Processing”; 1986, John Wiley & Sons, Inc. 3. L. Klein, “Sol-gel technology for thin films, fibers, performs, electronics and specialty shapes, Noyes”; 1988. Park Ridge. 4. J. Camargo, “Estudio del proceso de sinterización por plasma de recubrimientos cerámicos tipo SiO2 TiO2 ZrO2 obtenidos por el método sol-gel”, Monografía,
Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. (2007) 5. J. Livage, “Better Ceramic Through chemistry”; Material Research Society, Vol. 73 (1986), p 717-724. 6. W. C. La Course, S. Kirn, “Science of Ceramic Chemical Processing”; 1986, John Wiley and Sons, Inc. 7. F. Mansfeld, “Evaluation of corrosive degradation in coated steel using alternating current impedance spectroscopy”; Corros. Sci., Vol. 52 (6) (1996), p. 417. 8. M. Stratmann, K. Hoffmann, “Proceedings of the Ninth European Congress of Corrosion”, Utrecht, The Netherlands, p. CO-70 (1989). 9. L.F. Vesga, E Vera, J.H. Panqueva, “Use of the Electrochemical Impedance Spectroscopy to evaluate the performance of a primer applied under different surface preparation method”; Progress in Organic Coatings, Vol. 39 (2000), p. 61-65. 10.J. Bautista, “Producción y caracterización de películas cerámicas SiO2 TiO2 ZrO2 sintetizadas por el método Sol-gel para aplicaciones anticorrosivas”, Tesis de Maestría, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. (2006). 11.J. Bautista, “Conformación de películas delgadas tipo sol-gel para aplicaciones anticorrosivas”; Colección Investigación Nº 20. UPTC, Tunja- Colombia, 2008.
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Análisis multivariado de indicadores socioeconómico-productivos del ganado caprino-ovino en el departamento de La Guajira, Colombia Atenaida Beatriz Quintero Bueno1
Caridad Walkiria Guerra Bustillo2
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Lucia Fernández Chuairey3
Resumen Recibido: 15 de marzo de 2008 Aceptado: 23 de octubre de 2008
Los modelos y métodos estadísticos multivariados se convierten en una herramienta fundamental, para el análisis y evaluación del sistema de produccióncomercialización del ganado caprino-ovino en el departamento de La Guajira, siendo su objetivo caracterizar, desde el punto de vista socio-económico, el desarrollo de la producción e identificar los factores que han incidido en el débil desarrollo de esta especie. En el departamento de la Guajira la especie caprinaovina representa el 60% de la dieta cárnica de sus habitantes, constituyendo una importante fuente de ingresos económicos para la etnia wayuú, productores en potencia del ganado menor. Se realizó una investigación de tipo exploratoriodescriptivo, mediante el uso del diseño no experimental de corte transversal, a través de los software Statgraphics Plus versión 5.1 (2001) y SPSS versión 13.0 (2004). La información se recogió mediante la aplicación de 334, durante el periodo de julio 2005 a julio de 2006. Los resultados del análisis multivariado muestran que es bajo, el número de animales con problemas genéticos y de lactancia. La producción de leche por día animal es de 0.61 litros, produciendo el 75% de ellos 1 litro/día/animal. La incidencia de enfermedades del ganado es en épocas de invierno y verano, predominando la época de invierno. Además de los indicadores económicos se seleccionaron 6 componentes principales que representan el 60.146% y de las 9 variables productivas se seleccionaron 4 componentes principales que representan el 61.821% de la variación total ya que tienen un auto valor superior a 1.0. Palabras clave: Análisis multivariado, caprino-ovino, La Guajira.
1 Estadístico. Especialita en gestión gerencial. Universidad de la Guajira-Colombia.
[email protected] 2 Licenciada en matemática. Especialista en estadística matemática. Doctora en ciencias. Universidad Agraria de la Habana, Cuba.
[email protected] 3 Licenciada en matemática. Master en ciencias en la especialidad de matemática aplicada. Doctora en ciencias veterinarias. Universidad Agraria de La Habana, Cuba.
[email protected]
Abstract Multivariety of models and statistics methods have become a key tool for testing and analyzing the state production and marketing system of ovine-caprine in the of La Guajira (Colombia). One of the goals is to characterize. From the social economic view, the development of the production and identification of factors that have affected in this cattle’s weak development. The specie ovinecaprine represents a 60% of the meat diet in the inhabitants from the state of LA GUAJIRA, it represents an important economic source of income to the wayuú ethnic, which are the fewer producers of cattle. The research is projected as an
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alternative to improve the demand and offer of the production in the region. It has been done a research from the Descriptive-explanatory type through the use of The Design Unexperimental of Transversal Cut using the software Statgraphics Plus version 5.1 (2001) and SPSS 13.0(2004), with the purpose to describe variables and analyze its affection and interrelation in a given time. The information has been gathered through the appliance of 334 polls distributed in four sceneries: producer from the wayuú ethnic, transporters, intermediaries and consumers of the ovine-caprine cattle, in the municipality of Riohacha, during the period of time of July 2005 to July 2006. The result of the multi-varied analysis shows the low number, of genetic problems and lacting in animals. The production of milk per animal is 0,61 litre. The impact of cattle illness shows in summer and winter season, hisher in winter time. It has been formulated generals, productive and economics indicators. It has been highlighted in the multi-varied analysis the sales and purchase indicators, those from the genetic type and those from the animals health. Keywords: Multivaried Analysis, Caprine-Ovino, La Guajira.
Introducción
L
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a producción caprina-ovina ha progresado rápidamente en los últimos diez años en el departamento de La Guajira, y en particular en el municipio de Riohacha área en estudio. La etnia Wayuú tradicionalmente se ha dedicado a la actividad del pastoreo, cría y sacrificio del ganado caprino-ovino, sin aplicación de nuevas tecnologías, mediante el uso de técnicas primitivas que se encargan de satisfacer las necesidades básicas de las familias de esta región. La especie caprina-ovina en el departamento de La Guajira, representa el 60% de la dieta cárnica de sus habitantes, constituyendo una importante fuente de ingresos económicos (Márquez, 2003-2006). La técnica de encuestas, es una herramienta muy importante en la recolección de información. (García, 2005), plantea que en los últimos años las encuestas sobre los temas más diversos, se encuentran continuamente en los medios de comunicaciones audiovisuales y escritos. El objetivo de este trabajo, es diagnosticar y evaluar el desarrollo socio-económico-
productivo del ganado caprino-ovino y el impacto que genera en el departamento de La Guajira, Colombia.
Materiales y métodos Según Berenson,(1996) y Lind et al. (2001), la población está formada por cuatro escenarios así: la primera población corresponde a N1= 216 rancherías ó viviendas de indígenas Wayuú con asiento en el municipio de Riohacha; N2= 120 transportadores; N3= 150 intermediarios (compradores mayoristas y minoristas). La información de las tres poblaciones anteriores fue suministrada por la Unidad de Asuntos Indígenas (2006), N4 = 117.527 habitantes del municipio de RiohachaColombia, relaciona los consumidores de la carne caprina-ovina, de esta localidad, (Departamento Administrativo Nacional de Estadística en Colombia DANE, 2004). Según Martínez (2003); Fernández y Ruiz (2006), el diseño de cada muestra para las salidas de campo quedó establecida así: n1= 109 familias de indígenas Wayuú; n2 = 70 transportadores, n3 = 55 intermediarios, y
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n4 = 100 consumidores del ganado caprinoovino. La información se recogió mediante la realización de 334 encuestas en cuatro escenarios. Para el diseño de cada muestra, se utilizó la técnica del muestreo aleatorio simple para estimar las proporciones de éxitos y fracasos (pyq), que en este caso no se conocen, sin embargo se puede considerar (p=q= 50%); además P= 95%; es la probabilidad de confianza; α= 5% nivel de significación; para un área bajo la curva normal de: A= 0,4750→ Z= 1,96 que es la desviación estándar que se toma con respecto al nivel de confianza en la tabla de la distribución normal. De igual forma, se tomaron márgenes de errores establecidos para cada diseño de muestras a partir de un promedio de estimativo: no. De las 334 encuestas realizadas en el trabajo de campo, se aplicaron 109 encuestas dirigidas a familias de indígenas Wayuú, de las cuales se obtuvieron 14 variables generales-económicas y 9 variables productivas, registradas en las tablas: (5),(6) y (9). La investigación realizada es de tipo exploratorio-descriptiva ya que se aborda por primera vez, buscando especificar las propiedades más importantes de esta especie en lo socio-económico y productivo. Como método de investigación, se utilizó el diseño no experimental de corte transversal, puesto que el objetivo de la investigación fué captar información en un tiempo único, con el propósito de describir variables y analizar su incidencia e interrelación en un momento dado. (Hernández- Sampieri et al, 2003 y Tamayo, 2003). Los resultados de las encuestas se procesaron mediante tablas de frecuencia univariadas y bivariadas (tablas de contingencia) y gráficos de barras. Se determinaron estadígrafos de posición y variación. Se aplicó la prueba Chi-cuadrado de independencia para tablas de contingencia y la técnica estadística multivariada de análisis de componentes principales (Bouza y Sistachs, 2002; Härdle y Simar, 2003). La conveniencia del uso del análisis de componentes principales, se analizó mediante
el contraste de esfericidad de Bartlett, que proporciona la probabilidad estadística de que la matriz de correlación de las variables, sea una matriz identidad (Hair et al., 1999; SPSS versión 13.0, 2004). La información fué procesada utilizando el tabulador electrónico Excel y los software sobre Windows: Statgraphics Plus versión 5.1 (2001) y SPSS versión 13.0 (2004).
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Resultados y discusión Las técnicas y procedimientos de recolección de la información, originaron la aplicación de 334 encuestas para el trabajo de campo. Sin embargo para el análisis de los indicadores productivos, se diseño una muestra aleatoria simple de 109 encuestas dirigidas a productores indígenas Wayuú del caprino-ovino. Después de codificadas estas encuestas se tabularon y se confeccionaron matrices de datos entre otros, localizando, 12 tipos de familias o castas con asiento en el municipio de Riohacha, productoras del ganado caprino-ovino así: 1. Epinayú; 2. Epiayú; 3. Ipuana; 4. Uriana; 5. Apshana; 6. Jarariyú; 7. Arphusana; 8. Pushaina; 9. Jusayú; 10. Wouriyú; 11.Sijona; 12. Sapuana. En la tabla 1, se puede observar que el promedio de hijos por familias o castas en cada una de las rancherías de indígenas Wayuú, es 7 y el valor más frecuente es 8 hijos. Sin embargo el 25% de las familias o castas tiene hasta 4 hijos, el 50% hasta 7 hijos y el 75% hasta 9 hijos. Es apreciable la dispersión que se presenta en este indicador, que concuerda con el rango de variación del mismo. Tabla 1. Estadígrafo de posición y dispersión del número de hijos por familia o casta
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De los resultados de la tabla 2, que recoge la aplicación de la prueba Chi-cuadrado (χ)² de independencia, se puede inferir que no existe dependencia (con p=0,3698), entre la familia o casta y el número de animales que producen para el consumo humano, aunque la figura 1, muestra que de las doce familias o castas analizadas, la 1; 3; 4 y 7 (correspondientes a las familias o castas: Epinayú, Ipuana, Uriana y Pushaina), son las mayores productoras del caprino-ovino en el municipio de Riohacha, departamento de La Guajira.
De las 14 variables generales y económicas se seleccionaron 6 componentes principales, que representan el 60,146% de la variación total, ya que tienen un auto valor superior a 1.0, lo que resulta aceptable bajo las condiciones estudiadas (tabla 4). Tabla 4. Resultados de la aplicación del análisis de componentes principales.
Tabla 2. Análisis de la relación entre la familia o casta y el número de animales que producen para el consumo humano.
(χ)²
Figura 1. Familias o castas y animales que producen.
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En la tabla 3, se puede apreciar que el contraste de Bartlett, indica que es muy improbable (p=0,004) que la matriz de correlación de las variables, sea una matriz identidad. Teniendo en cuenta este resultado, se considera que resulta adecuado plantear el uso de la técnica estadística multivariada, del análisis de componentes principales, bajo las condiciones naturales de producción (rancherías), en que se desarrolló este estudio. Tabla 3. Resultados del contraste de esfericidad de Bartlett.
En la tabla 5 de componentes y variables, se destacan las variables que más influyen por componentes, como son: la cantidad de animales que se venden, las condiciones higiénicas para el sacrificio, aportes económicos por la venta, tipo de comprador y la rentabilidad, entre otras variables. Otros aspectos que ilustran los bajos indicadores económicos de la producción caprino-ovino en el municipio de Riohacha, se reflejan en las figuras 2 y 3. Figura 2. Asistencia técnica que reciben o no los productores indígenas Wayuu
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Tabla 5. Matriz de componentes y variables.
Figura 3. Ventas mensuales del ganado caprino - ovino.
La tabla 6, presenta los fundamentales estadígrafos de posición y dispersión de las variables o indicadores productivos, excepto
las variables: (6) épocas del año en que más se enferma el ganado menor y (7) tipos de enfermedades que afecta a los animales, que son categóricas nominales. Se destaca en estos resultados que es bajo, el estimado de animales con problemas genéticos y de lactancia, sin embargo la producción media de litros de leche por día animal es de 0,61 litros, produciendo el 25% de los animales hasta 0,25 litros/día/animal, el 50% hasta 0,50 litros/día/ animal y el 75% hasta 1 litros/día/animal. Se aprecia que este indicador es extremadamente bajo, lo que está dado por las condiciones tan precarias en que se desarrolla esta producción. Se presenta muy elevada la variabilidad de los
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Tabla 6. Estadígrafo de posición y dispersión del número de las variables.
animales con problemas genéticos, lactancia y el número de cabras por ordeño, aunque en ninguno de los indicadores analizados la dispersión presenta bajos niveles, lo que resulta lógico por lo antes señalado. 16
La tabla 7 recoge los resultados del contraste de Bartlett, la cual indica que es muy improbable (p=0,001) que la matriz de correlación de las variables, sea una matriz identidad. Tabla 7. Resultados del contraste de esfericidad de Bartlett.
En la tabla 8, de las 9 variables productivas se seleccionaron 4 componentes principales, que representan el 61,821% de la variación total ya que tienen un auto valor superior a 1.0. Tabla 8. Resultados de la aplicación del análisis de componentes principales.
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En la tabla 9, se aprecia que las variables que más inciden, son las de tipo genéticoproductivo y salud de los animales. Tabla 9. Matriz de componentes y variables productivas.
La experiencia acumulada sobre el análisis estadístico en las investigaciones que usan encuestas, dado por Ojeda (2003) en trabajos realizados desde 1990, indican que los análisis de datos de encuestas van desde la obtención de estadísticos descriptivos como promedios, frecuencias, porcentajes, varianzas entre otros, hasta el uso de técnicas multivariadas, como análisis discriminante, análisis Factorial, etc, coincidiendo con lo señalado por Vara y Rubio (2005). Una de las formas de análisis ampliamente utilizadas para determinar si efectivamente una variable influye o no sobre otra en tablas de doble entrada, es la que se realiza sobre la base de la llamada regla de Zeizel (Ibarra, 2005).
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Trabajos realizados en el campo agrario basados en la recogida de información por encuestas, lo han reportado Álvarez (1980) y Ramírez (2002), en el cultivo de los cítricos en Cuba y en fincas ganaderas en Colombia, respectivamente. En la tabla 10, se muestra el análisis de la época del año en que más se enferma el ganado menor y los tipos de enfermedades que los afectan (8), también se observa que existe dependencia (con p=0,0020), entre estas dos variables, y la mayor frecuencia de las enfermedades es en la época de invierno.
Tabla 10. Análisis de la relación entre el tipo de enfermedad y la época.
Estadístico Chi-cuadrado=22,56 p=0,0020
Enfermedades: 1.-Parasitosis, 2.-Mastitis, 3.-Enfermedades carenciales, 4.-Enfermedades bacterianas, 5.-Estomatitis vesicular, 6.Piodermitis, 7.-Enfermedades diarreicas agudas y 8.-Otras enfermedades.
Conclusiones Se puede señalar que resulta bajo, el estimado de animales con problemas genéticos, lactancia y salud animal, presentando una elevada variabilidad, además contrastando con producciones de leche en litros/día/ animal extremadamente bajas, lo que está dado por las condiciones tan precarias en que se desarrolla esta producción. El Análisis de componentes principales, mostró que las variables que más inciden son fundamentalmente los indicadores de compraventa, las de tipo genético-productivo y de salud de los animales, existiendo dependencia entre la época del año y el tipo de enfermedad que padecen, predominando la época de invierno. Por la importancia que tiene la producción del ganado menor en la tradición alimentaría de la región, se requiere establecer una estrategia municipal y departamental con el
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fin de visionar un fortalecimiento económico y social de la producción-comercialización del ganado caprino-ovino, buscando la mayor calidad alimentaría, con mayores estándares sanitarios que garanticen que no existe riesgo al consumidor, y que se traduzca en un creciente y más justo intercambio comercial de la región.
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Estabilización química de suelos expansivos de San José de Cúcuta (Colombia) usando cenizas volantes C. H. Flórez G1
R. Zarate C.2
Z. K. Caicedo O.3
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B. A. Contreras.4
Resumen Recibido: 4 de noviembre de 2008 Aceptado: 6 de diciembre de 2008
Ingeniero Civil. MSc. Director Grupo de Investigación en Geotecnia Ambiental, GIGA. Departamento de Geotecnia y Minería. Universidad Francisco de Paula Santander, San José de Cúcuta.
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[email protected] 2 Ingeniero Civil. MSc. CoDirector Grupo de investigación GIGA. Departamento de Geotecnia y Minería. UFPS; San José de Cúcuta.
[email protected] Ingeniera Química. CoInvestigadora Grupo de Investigación GIGA. Departamento de Geotecnia y Minería. UFPS; San José de Cúcuta. /
[email protected] 3
Tesista Ingeniería Civil, 2008. Grupo de Investigación GIGA. UFPS. /
[email protected] 4
Se presentan los resultados de la estabilización química de los suelos expansivos de una zona representativa de San José de Cúcuta, donde se han observado daños en construcciones livianas como consecuencia de la expansiónretracción del suelo por la variación constante de la humedad. Para lograr la estabilización del suelo arcilloso, se propone como aditivo químico cenizas volantes, analizando sus posibles ventajas y desventajas. Las cenizas, fueron suministradas por la empresa Termotasajero S.A, de la ciudad. Los límites de consistencia se llevaron a cabo de acuerdo a la norma ASTM D 4318-95 [1], la humedad (ASTM D 2216), las relaciones de contracción (ASTM D 42793/ 4943-95), granulometría (ASTM D 422-63), gravedad especifica ASTM D 854-92 y el ensayo estándar de Proctor (ASTM D-698). De los datos de humedad de los estratos, se puede observar su comportamiento descendente. Se muestran datos de área superficial específica según el procedimiento de azul de metileno descrito por Santamarina [2]. Se encontró que las arcillas de la zona estudiada están clasificadas como de alta plasticidad (CH) con capacidad de intercambio catiónico de hasta de 37 (meq/100 g) y en el que uno de los estratos posee alto contenido de magnesio (Mg). Según la norma NSR 98 Título H [3], el potencial de expansión de las arcillas, es de alto a muy alto. El comportamiento del índice de plasticidad es decreciente en un valores que oscilan de treinta a cuarenta por ciento, para un porcentaje de mezcla de 30% en volumen de cenizas, lo anterior nos confirma la formación de hidratos por medio de reacciones puzolánicas con el suelo arcilloso. Se concluye la necesidad de implementar análisis de difracción de rayos X (DRX) y microscopia electrónica para determinar composición mineralógica exacta y estructura microscópica, lo cual ayudaría a confirmar o descartar la naturaleza de alta expansividad. Palabras clave: arcillas expansivas, estabilización química, cenizas volantes.
Abstract It presents the results of the chemical stabilization of a zone of San Jose de Cucuta, where it have been observed some damages in light buildings as a consequence of the expansion-shrinkage of the soil because of the change in
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moisture. To achieve soil stabilization, it will be used as chemical additive: fly ashes, analyzing possible advantages and drawbacks. The ashes were given by Termotasajero S.A, a company of the city. The Atterberg limits carried out in agreement to the standard ASTM D 4318-95 [1], moisture measurement (ASTM D 2216), shrinkage factors of soil (ASTM D 427-93/4943-95), particle size analysis of soils (ASTM D 422-63), specific gravity ASTM D 854-92 and Proctor standard test (ASTM D-698). From de moisture data, it is possible to observe its descending behaviour. The document shows information of specific surface area according to the procedure of blue of methylene described by Santamarina [2]. It was found that the clays, in this study case, has high plasticity (CH) with a cation exchange capacity until 37 meq/100 g and high magnesium (Mg) content. According to the norm NSR 98 (Title H) [3], the swelling potential of the clays, is from high to very high. The behavior of the plasticity index is diminishing in values that range from thirty to forty per cent, for a percentage of mixing of 30 % in volume of ashes. This behavior confirms to us the formation of hydrates by means of pozzolanic reactions with the clayey soil. It was concluded the necessity to implement analysis of X-rays diffraction (XRD) and electronic microscopy to determine mineralogical exact composition and microscopic structure, which would help to confirm or to reject the nature of high expansivity Keywords: expansive clays, stabilization chemistry, fly ash.
Introducción
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a ciudad de San José de Cúcuta presenta un régimen de lluvias bimodal, es decir, está sometida a periodos cíclicos de lluvia y clima seco. Las viviendas construidas en ciertas zonas de la ciudad, presentan daños producidos principalmente por levantamientos o asentamientos diferenciales (ver figura 1), inducidos por la interacción suelo-estructura al cambiar las condiciones de humedad del suelo de apoyo. Existen diversos factores influyentes en el cambio volumétrico del suelo, entre los cuales se pueden mencionar: variaciones climáticas, infiltraciones, presencia de vegetación, modificación del nivel freático, condiciones de esfuerzo en el suelo, permeabilidad, composición mineralógica, entre otros [4]. Las arcillas, denominadas “expansivas” poseen ciertos minerales que le confieren esta propiedad debido a ciertas capas de agua adsorbidas por interacciones intermoleculares propias de las partículas. Al realizar una estabilización se pretende mejorar las propiedades del suelo hasta que sea apto para su uso en la construcción, es decir, posea
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resistencia suficiente, no se expanda ni se contraiga en exceso, tenga la permeabilidad adecuada, no se deforme a tal nivel que afecte la estructura y sea estable [5, 6, 7, 4, 8, 9, 10]. La naturaleza del agua adsorbida en la estructura microscópica de las arcillas forma un sistema complejo de difícil entendimiento [11-13]. También se asocia al ambiente de formación-depositación (salobre, marino o de agua dulce) y toda su historia geológica [14]. La organización microestructural de las partículas, afecta la forma en que el agua es absorbida [15, 11, 16, 12, 13], teniendo en cuenta la succión presente, además de la presencia de múltiples cationes de cambio en la arcilla natural. Esto representa una desventaja a la hora de medir e interpretar resultados ya que se requieren técnicas destructivas para cuantificar los cambios en las propiedades del suelo arcilloso. Por lo tanto, se debe inferir acerca de los fenómenos asociados que ocurren al interior de la red cristalina. Según la referencia [17] (Do Nascimento), en su tesis doctoral, basado en el modelo inicial de Alonso [18], propone un modelo elasto-plástico fundamentado en elementos finitos, en el cual expone una organización acoplada entre las estructuras microscópicas y macroscópicas, donde existen las tres fases, interdependientes de un modelo químico presentando algunas simplificaciones, ya que el problema se vuelve demasiado complejo. Se propone realizar experimentos con mezclas de aditivos químicos, ya sea, cenizas volantes o aceite sulfonado, basados en casos anteriores [19-32]. Los aditivos, por medio de una reacción química o electroquímica producen una reorganización de la estructura interna en el suelo [22, 23] que se ve reflejada en el cambio de las propiedades físicas y mecánicas, logrando la estabilización deseada. Los minerales arcillosos son silicatos de aluminio y de magnesio hidratados
estructurados en capas. Éstas son el resultado de combinar tetraedros de silicio (SiO4) y otra capa resultado de combinar octaedros de Aluminio unido a seis oxígenos o a seis grupos hidroxilo (-OH). Ambas capas se unen entre sí compartiendo oxígenos [3337]. Según su organización pueden formar filosilicatos bilaminares o trilaminares en familias o grupos. Entre ellos se encuentran las esmectitas, las micas y los minerales fibrosos. Entre los minerales expandibles (grupo de las esmectitas) hacen parte la Montmorillonita, la Nontronita y la Beidelita (dioctaédricas), la Saponita, la Sauconita y la Hectorita (trioctaédricas) [33].
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Cuando el suelo arcilloso tiene un porcentaje de esta clase de minerales, así éste sea de pequeña magnitud (10%), le confiere inestabilidad, por su capacidad de expansióncontracción al adsorber agua entre sus capas cristalográficas, debido al intercambio de iones que se presenta por su propiedad de sustitución isomórfica, es decir, de intercambiar iones de Si+4 por Al+3 generalmente. Así, se adhieren cationes para compensar la carga negativa generada. Los tamaños de los cationes varían, y así mismo lo hará el espesor de la capa adsorbida que influye en la consistencia y plasticidad del suelo. Los suelos arcillosos se pueden tratar de diversas maneras, cambiando su granulometría, con geotextiles de forma esférica, con polímeros, con hidróxidos de doble capa (DLHs), por medios eléctricos o aplicando aditivos de diferente índole. De hecho se ha realizado desde hace muchos años atrás [4-7, 10, 38-41]. Este estudio se enfoca en el uso de aditivos, que si bien se ha usado generalmente cal [42], se pretende buscar una solución de mayor economía o innovación. Las cenizas son granos muy finos, oscilando entre 0.5 y 300 μm, a veces hasta 500 μm, formados por silicatos, óxido de aluminio, óxidos variados y cal libre. Esta última le confiere propiedades puzolánicas, reduciendo
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así, el índice de expansión del suelo. El uso de puzolanas se ha venido estudiando [43, 44], especialmente las cenizas [10, 25, 26, 30, 32, 41, 45] y su uso en forma ‘cruda’ o mezcladas con cal [24, 32]. En realidad, se ha encontrado [46] que la fracción que reacciona con la cal libre (CaO) es la más fina (
