ESTUDIO MECANICO PROBABILISTICO DE MATERIALES COMPUESTOS OBTENIDOS DE RESIDUOS SOLIDOS MINEROS

(1)

México, DF. 31 de Mayo, 2007.

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales

Compuestos Obtenidos de

Residuos Sólidos Mineros

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE DOCTOR EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD

EN INGENIERÍA MECÁNICA

P r e s e n t a:

M. en C. José Luis Soto Trinidad.

Directores

Dr. Orlando Susarrey Huerta.

(2)

(3)

(4)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros.

.

Agradecimientos.

A Dios, por darme sabiduría, entendimiento y guiarme por el camino de la fe. Gracias Señor

por escuchar mis súplicas en mis oraciones. Padre, contigo todo se puede.

A LA OEA, por todo el apoyo económico y humano brindado en cada momento desde el

inicio hasta la culminación de estos estudios. Sin ustedes no hubiera sido posible lograr esta

meta.

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), por el apoyo brindado.

A la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME - IPN, por la

formación profesional y humana ofrecida. Gracias por formar parte de mi familia en esta

gran ciudad.

Al Gobierno Dominicano por haber creído en mí y darme la oportunidad para realizar estos

estudios.

Al Instituto de Investigaciones Nucleares, por haber facilitado los recursos físicos y

humanos para que esta meta se hiciera realidad.

A todo apoyo incondicional brindado por el personal de la Embajada de la República

(5)

.

A mi Asesor:

Dr. Manuel Vite Torres.

Por proporcionarme las herramientas orientadoras y educativas para desarrollarme en esta

línea de investigación; campo del diseño mecánico tribológico. Por su gran interés de que yo

progresara.

A mi Directores de Tesis:

Dr. Orlando Susarrey Huerta y Dr. Jaime Vite Torres.

Por haber aceptado trabajar conmigo en el desarrollo de este gran trabajo de investigación, por

el gran apoyo humanitario y educativo que me brindó.

A toda la comunidad (Profesores, Empleados y Estudiantes) del IPN:

Pablo Villegas, Luis Héctor Hernández, Susarey, Balankin, Villa, Urriolagoitia, Rita,

Carvajal.... / Ana Laura, Enrique Jiménez, Carlos, Lorenzo, Miguel, Lulú, Los Hermanos

Jiménez, Alejandro, Manuel Valencia, Lidia, Gloria, José Luis, René, Víctor, Romeo,

Agustín, Todo el Personal de la Biblioteca.... / Manuel, Pepe, Leobardo, Rafael, Oswaldo,

Yamil, Alicia, Brenda, Abrahán, Toño, Campo, Raul, Juan, Gerardo, Nieves, Oscar, Joel,

Enriqueta, A todos mis compañeros de Diseño, Energética y Sistemas.

Por los conocimientos, apoyo humanitario e intelectual y las orientaciones que me han

(6)

.

A la Secretaría de Vinculación Extranjera del I. P. N:

Gracias a ustedes pude tramitar mis documentos desde mi país, en el momento más oportuno.

Gracias Dra. Bustamante Diez y Lic. Fabiola Paz.

De Manera Especial:

Por sus atenciones, sus sinceridades y Lealtades, les estoy externamente agradecido a la

Lic. Angela María Camacho y a las personas que trabajan con usted.

A mi Familia:

Por todas las oraciones y peticiones a Dios, que siempre hacen por mi, por sus palabras de

aliento y preocupaciones. En especial a mi Madre, a mis Hermanas y a mis Sobrinos...Sugey.

A mis Amigos Dominicanos y Mexicanos:

Andrea, Anilú y Familia, Martín Castillo, Félix, Sr. Andrés y Su Señora María de los

Angeles, Angélica, Máximo Alberto, Neris, Héctor, Galileo, Marco Antonio...

Por la amistad y cariño que me han brindado, por los favores, apoyarme en mis decisiones.

Cada uno de ustedes sabe como colaboraron conmigo durante todo este tiempo.

(7)

.

Dedicatorias.

A la Secretaría de Relaciones Exteriores en México.

Como fruto y esfuerzo de un Dominicano que sabe aprovechar la Caridad Humana. Reciban

este Trabajo de Investigación.

Al Instituto Politécnico Nacional.

Para contribuir con la ciencia.

A la Embajada de República Dominicana en México.

Para contribuir con la ciencia, la tecnología y la cultura de nuestro País.

A mi Madre:

Sra. Carmen Trinidad.

Desde lo más profundo de mi corazón, con todo mi amor a ella dedico este trabajo y cada uno

de los logros que he tenido desde su concepción; por todas sus enseñanzas, apoyo y gran

(8)

.

A mis Hermanas:

Lucía, Rosa, Belkis y Jenny.

Para que vean que todavía se puede hacer más.

A mis Sobrinos:

Luis Antonio, Sugey Milagros, Amauris, Alba Marina, José Gregorio, Rosanny, Avimael,

Evenezer y Isaacniela.

Para que tomen este logro de ejemplo y siempre crezcan con el deseo de superación.

A mis Tíos:

Julio, Kukito...

Para que vean que este conocimiento surge del epasado.

A mis Amigos:

Para que recuerden que juntos podemos llegar donde jamás hemos ido: Andrea, Martín, Anilú,

Rosa María, Máximo, Claribel, Neris, Ada, Fernando, Rossy, Miguel, Glenis, Damaris,

Sacarías, Ezequiel, Juan Francisco, Ivelise, Ine Maira, Siomara...

A... , tú que desde lejos, siempre ha tenido comunicación conmigo,.... todo esto fue para

tener una vida estable, satisfactoria y poder...

(9)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _I

ÍNDICE

Carta de Revisión

Carta de sesión de derechos

Agradecimientos Dedicatorias

Índice……….I Índice de Figuras……….VIII Índice de Tablas………XI

Glosario……….XXIIII Simbología………...…XXXII

Resumen………...XXXVII Abstract………XXXVIII

Objetivos………XXXIX Justificación………..XL Antecedentes ………....XLI

Planteamiento del problema………...XLII Introducción………..XLIII

Cap. 1 - ESTADO DEL ARTE EN EL CAMPO DE LOS MATERIALES COMPUESTOS….1

1.1.- Perspectiva histórica de los materiales compuestos……….2

1.2.- Impactos de los materiales compuestos en algunas disciplinas…………..3

1.2.1.- En la Industria aeroespacial……….3

1.2.2 - En la Industria automotriz………....5

1.2.3 - En la Industria naval……….7

1.2.4 - En el sector energético……….7

1.2.5 - En Ingeniería civil………..8

1.2.6 - En ingeniería electrónica……….9

1.2.7 - En el área de odontología………...9

1.2.8 - Compuestos fabricados a partir de productos agrícolas………..10

1.2.9 - Cemento procedente de cenizas……….11

(10)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _II

Cap. 2 - MATERIALES COMPUESTOS………...14

2.1 Concepto de materiales compuestos………....15

2.2 Componentes de los materiales compuestos………..15

2.2.1 Refuerzo o carga………...15

2.2.2 Matriz………16

2.2.2.1 Concepto y efecto de una matriz………...16

2.2.2.2 Tipos de matrices……….17

2.2.2.2.1 Matriz metálica……….17

2.2.2.2.2 Matrices cerámicas……….17

2.2.2.2.3 Matrices plásticas………17

2.3 Clasificación de los materiales compuestos……….19

2.3.1 Materiales compuestos de matriz metálica (CMM)………...19

2.3.1.1 Concepto de compuestos de matriz metálica………..20

2.3.1.2 Clasificación de materiales compuestos de matriz metálica...20

2.3.1.3 Métodos para la fabricación de compuestos de matriz metálica……….21

2.3.1.4 Aplicación de materiales compuestos de matriz metálica……….22

2.3.2 Materiales compuestos de matriz cerámica (CMC)………..22

2.3.2.1 Concepto de compuestos de matriz cerámica……….23

2.3.2.2 Clasificación de los compuestos de matriz cerámica……….23

2.3.2.3 Métodos para la fabricación de compuestos de matriz cerámica………...24

2.3.2.3.1 Preparación de materiales………...24

2.3.2.3.2 Técnicas de conformado………...24

2.3.2.3.3 Tratamientos térmicos………25

2.3.2.4 Aplicación de los compuestos de matriz cerámica...26

2.3.3 Materiales compuestos carbono-carbono (CCC)………..27

2.3.3.1 Concepto de compuestos carbono-carbono………27

2.3.3.2 Método para la fabricación de compuestos carbono-carbono…..28

2.3.3.3 Aplicación de los compuestos carbono-carbono………28

2.3.4 Materiales compuestos de matriz polímero (CMP)………29

2.3.4.1 Concepto de compuestos de matriz polímero………..29

2.3.4.2 Tipos de compuestos de matriz polímero……….29

2.3.4.3 Métodos para la fabricación de compuestos de matriz polímeros……….30

2.3.4.4 Aplicación de materiales compuestos de matriz plástica…………31

2.4 Consecuencias originadas por los materiales compuestos………...32

2.4.1 Consecuencias negativas……….32

(11)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _III

2.5 Residuos sólidos mineros y volcánicos………..…….33

2.5.1 Concepto de residuo sólido………...33

2.5.2 Clasificación de los residuos……….…...33

2.5.3 Residuos mineros……….…… ...34

2.5.3.1 Jales……… .…34

2.5.3.2 Características de los Jales………...35

2.5.3.3 Generación de Jales……….…. 35

2.5.3.4 Consecuencias que se originan en el manejo de los jales………..36

2.5.4 Residuos Volcánicos...37

2.5.4.1 Concepto de residuos volcánicos……….…38

2.5.4.2 Clasificación de los residuos volcánicos……….38

2.5.4.2.1 Volátiles….38 2.5.4.2.2 Residuos volcánicos masivos………..38

2.5.4.2.3 Fragmentarios………....38

2.5.4.3 Ceniza volcánica……….39

2.5.4.3.1 Concepto de ceniza volcánica……….39

2.5.4.3.2 Características de la ceniza volcánica………..39

2.5.4.3.3 Consecuencias originadas por la ceniza volcánica………..40

2.6 Referencias………...42

Cap. 3. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL PARA EL ESTUDIO MECÁNICO PROBABILÍSTICO DE LOS MATERIALES COMPUESTOS OBTENIDOS A PARTIR DE RESIDUOS SÓLIDOS MINEROS………....46

3.1 Planteamiento general de la metodología experimental empleada para realizar el estudio estructural, químico, mecánico, tribológico, fractal, estadístico y probabilístico de los compuestos de partículas de jales y ceniza volcánica………..48

3.2 Descripción del equipo utilizado en el trabajo experimental y analítico…..48

3.2.1 Equipo empleado en la preparación de la materia prima………49

3.2.2 Equipo utilizado en la fabricación de las probetas………...51

3.2.3 Equipo utilizado en los experimentos físicos y químicos………....52

3.2.4 Máquinas y herramientas utilizadas para realizar los ensayos tribológicos…53 3.2.5 Equipo utilizado para los ensayos mecánicos……….….54

3.2.6 Equipo utilizado para los ensayos térmicos………..56

(12)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _IV 3.3 Materiales utilizados en la manufactura de los materiales compuestos de

partículas de residuos sólidos mineros y ceniza volcánicas……….57

3.4 Parámetros que se deben tomar en cuenta antes de fabricar, ensayar y analizar los compuestos de partículas de jales y ceniza volcánica………..57

3.5 Fabricación de las probetas………59

3.5.1 Diseño de las probetas utilizadas en los ensayos………...59

3.5.2 Proceso de fabricación de las probetas de compuestos de matriz cerámica reforzada con residuos mineros………...63

3.5.3 Proceso de fabricación de las probetas de compuestos de matriz cerámica reforzada con ceniza volcánica………65

3.5.4 Proceso de la fabricación de las probetas de compuestos de matriz poímero - resina poliéster reforzada con residuos mineros…………..65

3.5.5 Proceso de fabricación de las probetas de compuestos de matriz polímero - resina poliéster reforzada con ceniza volcánica………….65

3.5.6 Proceso de fabricación de las probetas de compuestos de matriz polímero - resina epóxica reforzada con residuos mineros…………..65

3.5.7 Proceso de fabricación de las probetas de compuestos de matriz polímero - resina epóxica reforzada con ceniza volcánica……….66

3.6 Ensayos y análisis para desarrollar el estudio mecánico probabilístico de los compuestos de partículas de residuos mineros y volcánicos………....66

3.6.1 Análisis microestructural………...66

3.6.2 Ensayo de resistencia al ataque químico de los nuevos compuestos……….67

3.6.3 Experimento bajo el principio de Arquímedes para determinar las propiedades físicas de los nuevos compuestos………..67

3.6.4 Ensayos tribológicos de los nuevos compuestos de partículas de residuos mineros y volcánicos………69

3.6.4.1 Ensayo de erosión seca con partículas de carburo de silicio…...69

3.6.4.2 Ensayos de abrasión………...70

3.6.4.2.1 Prueba de abrasión húmeda………70

3.6.4.2.2 Prueba de abrasión seca………..71

3.6.4.3 Prueba de corrosión………...71

3.6.4.3.1 Prueba de corrosión empleando niebla salina…………..71

3.6.4.3.2 Prueba de corrosión empleando vapor húmedo………...72

3.6.5 Ensayos para la determinación de las propiedades mecánicas de los nuevos compuestos de partículas de residuos mineros y volcánicos………...72

3.6.5.1 Ensayo de resistencia a la compresión………73

(13)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _V

3.6.5.3 Ensayo de resistencia a la fatiga………..74

3.6.5.4 Ensayo de resistencia al impacto Charpy………76

3.6.5.5 Ensayo de microdureza Vickers………77

3.7 Metodología para realizar el estudio estadístico y de probabilidad de los compuestos de partículas de residuos mineros y ceniza……….77

3.7.1 Modelo físico………..77

3.7.2 Modelo matemático………...78

3.7.3 Identificación de las fuentes de incertidumbre………..78

3.7.4 Cuantificación……….79

3.7.5 Distribuciones de probabilidad……….81

3.8 Análisis fractal de las fracturas de las probetas de compuestos de partículas de residuos mineros y volcánicos, ensayadas……….81

8.9 Referencias………85

Cap.4 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DEL ESTUDIO MECÁNICO PROBABILÍSTICO DE LOS MATERIALES COMPUESTOS OBTENIDOS A PARTIR DE RESIDUOS SÓLIDOS MINEROS………..86

4.1 Presentación, análisis estructural y químico elemental de los

materiales compuestos de matriz cerámica, y polímero (resina

epóxica o poliéster) reforzada con jales, y ceniza

volcánica………...81

4.1.1 Análisis estructural y químico elemental de los residuos ……….88

4.1.2 Presentación de los nuevos materiales compuestos de matriz cerámica, y polímero (resina epóxica o poliéster) reforzada con jales, y ceniza volcánica………94

4.1.3 Análisis estructural y químico elemental de los nuevos materiales compuestos de matriz cerámica, y polímero (resina epóxica y poliéster) reforzada con jales, y ceniza volcánica……….……...96

4.2 Resultados de la caracterización física de de los compuestos de

matriz cerámica, y polímero (resina epóxica o poliéster)

reforzada con jales, y ceniza

volcánica………..109

(14)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _VI

4.3.1 Resultados del ensayo de dureza……….113

4.3.2 Resultados del ensayo de resistencia a la compresión……….……116

4.3.3 Resultados del ensayo de resistencia a la flexión ……….….119

4.3.4 Resultados del ensayo de resistencia a la fatiga……….…123

4.3.5 Resultados del ensayo de resistencia al impacto Charpy ……….128

4.3.6 Resultados del análisis de la rugosidad de la superficie fracturada en el ensayo de flexión y fatiga ………131

4.4 Evaluación de los resultados obtenidos en los ensayos térmicos de los

compuestos de matriz cerámica, y polímero (resina epóxica o

poliéster) reforzada con jales, y ceniza volcánica………..135

4.4.1 Resultados del ensayo de conductividad térmica………..135

4.4.2 Resultados del ensayo de expansión térmica……….145

4.4.3 Resultados del ensayo de choque térmico………..146

4.5 Evaluación de los resultados obtenidos en las pruebas tribológicas de

los compuestos de matriz cerámica, y polímero (resina epóxica y

poliéster) reforzada con jales, y ceniza volcánica………..150

4.5.1 Resultados del experimento para la determinación del coeficiente de fricción estático………....150

4.5.2 Resultados del ensayo de la resistencia al desgaste abrasivo seco……..……152

4.5.3 Resultados del ensayo de la resistencia a la abrasión húmeda………...159

4.5.4 Resultados del ensayo de la resistencia a la erosión ………...167

4.6 Evaluación de los resultados obtenidos en los ensayos de resistencia

al ataque químico en los compuestos de matriz cerámica, y polímero

(resina epóxica o poliéster) reforzada con ceniza volcánica, y

jales……….191

4.6.1 Presentación y análisis de los resultados del ensayo de resistencia a la niebla salina……….191

4.6.2 Presentación y análisis de los resultados del ensayo de resistencia a 100 % humedad relativa……….194

4.6.3 Presentación y análisis de los resultados del ensayo de resistencia a sustancias químicas – reactivos………..195

4.7 Modelos probabilísticos encontrados en los compuestos de matriz

cerámica, y polímero (resina epóxica y poliéster) reforzada con

ceniza volcánica, y jales………..199

4.7.1 Modelos probabilísticos que describen las propiedades físicas………..200

4.7.2 Modelos probabilísticos que describen las propiedades mecánicas…………...214

4.7.3 Modelos probabilísticos que describen la rugosidad del perfil de la zona de fractura producidas por la carga de flexión y de fatiga………... 250

4.7.4 Modelos probabilísticos que describen las propiedades térmicas………..259

(15)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _VII

4.8 Referencias………..291

Conclusiones………..299

Trabajo futuro……….302

(16)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _VIII

INDICE DE FIGURAS

Figura 1.1. Aeronaves de combate construidas fundamentalmente con materiales compuestos a

base de fibras: (a) Avión Mirage Pantera de la FACH. (b) H-02 en FIDAE 2002.(Fuente: Eduardo Ahumada. La FACH, 1998.)……….4

Figura 1.2. Aplicación de compuestos cerámicos, en la parte superior de un pistón de un

automóvil. (Fuente: Iñaki Puertas. Unavarra.)……….5

Figura 1.3. Materiales que integran un automóvil moderno. (Fuente: La era de los nuevos materiales. España 2004………6

Figura 1.4. Baterías hechas de compuestos de matriz polimérica (Fuente: La era de los nuevos

materiales. España 2004……….…..6

Figura 1.5. Aplicación de los compuestos en el campo de la turbomaquinaria. (a) Turbina

moderna de gas construida con materiales compuestos. (b) Rotor cerámico de una turbina de

gas………..………..……7

Figura 1.6. (a) Algunas partes del aeropuerto de Asturias están hechas de compuestos. (b) Faro a

Colón en Santo Domingo. RD. (Fuentes: La hora de Asturias.com.2005. Y Gianfranco Lanzetti. Santo Domingo Quicenal.com. 1995)………...8

Figura 2.1. Micrografía de monocristales de fibras de carburo de silicio utilizados para reforzar

materiales compuestos de matriz metálica. ………..…….20

Figura 2.2. Aplicación de compuestos de matriz metálica en: (a) Avión F4 Phaton. (b) Tobera

montada y pegada al fuselaje del Rafale………..………22

Figura 2.3. Material compuesto de matriz cerámica Jaar. (Fuente: Elaborado por José L. Soto)…23

Figura 2.4. Empleo de compuestos cerámicos en la fabricación del motor y la turbina del avión

Rafale: (Fuente: Eduardo Ahumada. La FACH, 1998.).………...…..27.

Figura 2.5. Micrografía de una sección trasversal de un material compuesto laminado

epoxy-fibras de carbono con cinco capas bidireccionales. (Fuentes: Smith, William F. Fundamento de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. 3da Edición. McGraw - HILL. España. 1998. pp. 656)……..28

Figura 2.6 (a) Los Ejes de fibra de carbono Dura-Light combinan peso ligero con duración para

que las camisas metálicas garanticen la protección del cuerpo frente a la abrasión en un automóvil. (b)Rodillos guía Light-Speed reducen los daños ocasionados al papel, plástico o laminados. (Fuente: be-mail: [email protected] )……….…….43

Figura 2.7. Micrografía de una sección trasversal de un compuesto poliéster-fibras de vidrio

(17)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _IX

Figura 2.8. Método de impregnación manual para la preparación manual para la preparación de

materiales compuestos reforzados con fibras: (a) Vertido de la resina sobre el refuerzo en el molde. (b) Uso de un rodillo para compactar el laminado el laminado eliminando el aire atrapado. (Fuentes: Smith, William F. Fundamento de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. 3da Edición. McGraw - HILL. España. 1998. pp. 656 )………..31

Figura 2.9. Ford Lobo Lariat 4X4 2004: (a) Parte interior, (b) Carrocería, componentes y

accesorios. (Fuente: www.autos.com.m_{x [14])……….…32}

Figura 2.10. (a)Transportación de Jales a través de tuberías de la empresa minera hasta la zona

de Pachuca, México, abril, 2004. (b) Los mismos residuos acumulados en la misma ciudad….34

Figura 2.11. Estados de México donde se generan Jales como resultado de las explotaciones de

los minerales oro y plata. . (Fuentes: Cámara Minera de México [43], e INEGI [30]).………36

Figura 2.12. Manto friático y presa de Jales de plata y oro, en Pachuca, Hidalgo. México,

2005…….37

Figura 2.3. (a) Volcán Popocatépetl en estado de alerta. (b) Inicio de generación de residuos

volcánicos en Amecameca, Estado de México, 2004………37 .

Figura 2.14. Recolección de Cenizas en el Volcán Popocatépetl, Estado de México,

2004………..39

Figura 2.15. (a) La atmósfera recibe emisiones de sustancias contaminantes procedentes del

Volcán Popocatépetl, México, Diciembre 2000. (b) Llueve cenizas desde dicho Volcán en el DF……..41

Figura 3.1. Esquema metodológico del estudio mecánico probabilístico y fractal de los

materiales compuestos de partículas de residuos sólidos mineros y ceniza volcánica………...…49

Figura 3.2. Equipo empleado en la preparación de los Jales: (a) Molino de Martilloy (b)

Microscopio de barrido electrónico Jeol JSM-5900, Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares de México………..51

Figura 3.3. Tribómetros para pruebas de: (a) erosión, y (b) abrasión húmeda. (Fuente: Aguilar

Rosales, Joel, 2002 [56] y Laguna, Juan, 2003 ……….54

Figura 3.4. Máquina tribológica para prueba de abrasión seca, (Fuente: Aguilar Rosales, Joel, 1998) ……….…..…54

Figura 3.5. Máquinas para ensayos mecánicos: (a) Máquina servo-hidráulica MTS, [61]y

(b) Péndulo Schenk Trabel, Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares de México……….55

Figura 3.6. Microdurómetro para medir la huella Vickers, Instituto Nacional de Investigaciones

(18)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _X

Figura 3.7. Diseño de una probeta para el ensayo físico para obtener la densidad relativa,

porosidad y absorción de agua, de los compuestos de partículas de jales y ceniza volcánica. Escala 1:1 ……….59

Figura 3.8. Diseño de una probeta para los ensayos de resistencias a sustancias químicas y a la

corrosión de los materiales compuestos de partículas de jales y ceniza volcánica. Escala 1:1….60

Figura 3.9. Diseño de las probetas de forma rectangulares de las pruebas de erosión (a) y

abrasión húmeda de los materiales compuestos de partículas de jales y ceniza volcánica. Escala 1:1 ………..…60

Figura 3.10. Diseño de la probeta de forma rectangular para la prueba de abrasión seca de los

materiales compuestos de partículas de jales y ceniza volcánica. Escala 1:1………60

Figura 3.11. Diseño de la probeta de forma cúbica para el ensayo de dureza de los materiales

compuestos de partículas de jales y ceniza volcánica. Escala 1:1……….61

Figura 3.12. Diseño de una probeta de forma rectangular para los ensayos de flexión y fatiga, de

los materiales compuestos de partículas de jales y ceniza volcánica. Escala 1:1………..61

Figura 3.13. Diseño de una probeta de forma cilíndrica para el ensayo de compresión de los

materiales compuestos de partículas de jales y ceniza volcánica. Escala 1:2 ……….…..62

Figura 3.14. Diseño de una probeta de forma cilíndrica para el ensayo de compresión de los

materiales compuestos de partículas de jales y ceniza volcánica. Escala 1:1…62

Figura 3.14. Diseño de una probeta de forma cilíndrica para los ensayos de conductividad y

expansión térmica de los materiales compuestos de partículas de jales y ceniza volcánica. Escala 1:1………..62

Figura 3.15. Ensayo de resistencia al impacto en un compuesto arcilla/Jales utilizando un

probador de impacto, tipo péndulo en el laboratorio de celdas calientes del ININ, México 2005………...76

Figura. 3.16. Ensayo de dureza HV en un material de matriz cerámica reforzado con Jales en el

laboratorio de metalografía del ININ, México 2005………..77

Figura 4.1 Micrografías de: (a) jales grises recientes ~ 150x (Julio, 2004), y (b) jales grises

viejos ~ 100x (década del 1970), de Pachuca, Estado de Hidalgo. Laboratorio de síntesis de

materiales del ININ. México, 2005……….………..90

Figura 4.2 Micrografías ~ 100x de: (a) jales marrones y (b) jales grises; ambos proceden de la

(19)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _XI

Figura 4.3 Micrografías ~ 100x, de: (a) jales amarillos procedentes de la mina de plomo y Zinc

de Zimapán, Hidalgo, y (b) ceniza volcánica expulsada por el volcán Popocatépetl en Estado de México. Lab. de síntesis de materiales del ININ, 2005……….92

Figura 4.4 Difractogramas de rayos-x a 2 , de: (a) ceniza volcánica, y (b) jales grises recientes θ

de Pachuca, Estado de Hidalgo. Se determinaron en el difractómetro de rayos x, laboratorio de síntesis de materiales del ININ. México, 2005……….93

Figura 4.5 Fotografía a 6x, Nuevos materiales compuestos: Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc,

Cenepo y Cenpol, diseñados y fabricados en los laboratorios de Estudios de Posgrado de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del Instituto Politécnico Nacional (SEPI-ESIME-ZAC-IPN), conjuntamente con el Instituto de Investigaciones Nucleares (ININ), México D. F. 2005………..……….95

Figura 4.6 Micrografías de la microestructura del compuesto Jalarc; (a) Superficie ~ 100x, y (b)

Estructura interna ~ 500x. Laboratorio de síntesis de materiales del ININ, México, 2005…..….98

Figura 4.7 Difractógrama de rayos-x a 2 , del compuesto Jalarc: (a) Estructura interna del θ

cuerpo y (b) Superficie. Laboratorio de síntesis de materiales del ININ, México, 2005……..….98

Figura 4.8 Micrografías de la microestructura de Cenarc; (a) Superficie ~ 1000x, y (b)

Morfología interna ~100x. Laboratorio de síntesis de materiales del ININ, México, 2005……100

Figura 4.9 Difractógrama de rayos-x a 2 ,del compuesto Cenarc: (a) Estructura interna y (b) θ

Superficie. Laboratorio de síntesis de materiales del ININ. México, 2005………..101

Figura 4.10 Micrografía ~ 500x, de la microestructura de Jalepo. Lab. de síntesis de materiales

del ININ. México, 2005………..102

Figura 4.11 Difractógrama de rayos-x a 2 , de Jalepo. Lab. de síntesis de materiales del ININ. θ

México, 2005………..103

Figura 4.12 Micrografía ~ 500x, de la microestructura de Cenepo. Lab. de síntesis de materiales

del ININ. México, 2005………..…………..104

Figura 4.13 Difractógrama de rayos-x 2 , de Cenepo. Lab. de síntesis de materiales del ININ. θ

México, 2005……….………..105

Figura 4.14 Micrografía ~ 100x, de la microestructura de Jalpol Lab. de síntesis de materiales del

ININ. México, 2005………105

Figura 4.15 Difractógrama de rayos-x a 2 , de los materiales compuestos: (a) Jalpol, y (b) θ

Cenpol. Laboratorio de síntesis de materiales del ININ. México, 2005……….…106

Figura 4.16 Micrografía ~ 100 x, de la microestructura del compuesto Cenpol. Laboratorio

de síntesis de materiales del ININ. México, 2005………107

Figura 4.17 Fotografías a 6x, Poros en las superficies de los materiales compuestos : (a) Jalarc,

(20)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _XII

Figura 4.18 Fotografía ~ 8x, Espécimen indentado en el ensayo de microdureza Vickers en

Jalarc, al cual se le está aplicando una carga de 0.49 N. Esta prueba se efectuó en el laboratorio de ensayos de materiales del ININ) de México, 2005………..113

Figura 4.19 Diagrama del número de dureza Vickers en función del tamaño de partículas para

los materiales compuestos: Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol……….115

Figura 4.20 Diagrama de esfuerzo de comprensión – deformación unitaria para los materiales

compuestos Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol………117

Figura 4.21 Fotografías ~ 8x, Se muestran las fracturas de nuevos materiales compuestos

elaborados con residuos sólidos mineros, y ceniza volcánica después de haber cesado la carga que se le aplicó en el ensayo de resistencia a la compresión: (a) Jalarc, (b) Cenarc, (c) Jalepo, (d) Jalpol, (e) Cenepo y (f) Cenpol. Laboratorio de ensayos de mecánicos del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) de México, 2005. ……….118

Figura 4.22 Fotografías a 6x, Especímenes fracturados por flexión durante el ensayo de los

materiales compuestos : (a) Jalarc, (b) Cenarc, (c) Jalepo, (d) Jalpol, (e) Cenepo y (f) Cenpol. Lab. de ensayos de mecánicos del ININ, México, 2005. ………...……….121

Figura 4.23 Diagrama de esfuerzo de resistencia a la flexión – deflexión para los materiales

compuestos Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol……….122

Figura 4.24 Fotografías a 6x, Fracturas por fatiga a 5 Hz en las probetas de los materiales

compuestos : (a) Jalarc, (b) Jalepo, (c) Jalpol, (c) Cenarc, (e) Cenepo y (f) Cenpol. Laboratorio de ensayos de mecánicos del ININ, México, 2006………..…125

Figura 4.25 Diagrama de esfuerzo de fatiga en flexión – Razón de esfuerzo a una frecuencia de 5

Hz para los materiales compuestos Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol…………..126

Figura 4.26 Diagrama de esfuerzo de fatiga en flexión – Razón de esfuerzo a una frecuencia de

10 Hz para los materiales compuestos Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol……....126

Figura 4.27 Diagrama de esfuerzo de fatiga en flexión – Razón de esfuerzo desde 5 hasta 10 Hz

para los materiales compuestos Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol………….…..127

Figura 4.28 Energía de impacto Charpy contra la temperatura de prueba para los materiales

compuestos: Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol……….129

Figura 4.29 Fotografías de los perfiles de las zonas de fractura causados por un esfuerzo de

flexión en los compuestos (a) Jalarc, (b) Jalepo, (c) Jalpol, (d) Cenarc, (e) Cenepo y (f) Cenpol, formato de 24 bits………132

Figura 4.30 Fotografías de los perfiles de las zonas de fractura causados por un esfuerzo de

(21)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _XIII

Figura 4.31 Fotografías de los perfiles de fractura causados por un esfuerzo de fatiga a 10 Hz en

los compuestos: (a) Jalarc, (b) Jalepo, (c) Jalpol, (d) Cenarc, (e) Cenepo y (f) Cenpol, formato de 24 bits………..135

Figura 4.32 Fotografías a 6x, Estado de las superficies de los compuestos después del ensayo de

conductividad térmica: (a) Jalarc, (b) Jalepo, (c) Jalpol, (d) Cenarc, (e) Cenepo y (f) Cenpol. Laboratorio de la SEPI-ESIME. ZAC IPN, México, 2005………..136

Figura 4.33 Temperatura de prueba en función de la longitud que recorrió el flujo de calor, para

los materiales compuestos: Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol……….139

Figura 4.34 Conductividad térmica en función de la temperatura de prueba para los materiales

compuestos: Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol………139

Figura 4.35 Coeficiente lineal de expansión térmica en función de la temperatura de prueba para

los materiales compuestos Jalarc, Jalepo y Cenarc……….….143

expansión lineal térmica: (a) Jalarc, (b) Jalepo y (c) Cenarc. Laboratorio de la SEPI-ESIME. ZAC IPN, México, 2005………..144

expansión lineal térmica: (a) Jalpol, (b) Cenepo y (c) Cenpol. Laboratorio de la SEPI-ESIME. ZAC IPN, México, 2005……….………145

Figura 4.38 Coeficiente lineal de contracción térmica en función de la temperatura de prueba

para los materiales compuestos: Jalpol, Cenepo y Cenpol………...………146

Figura 4.39 Micrografías de las estructuras de los materiales compuestos de matriz cerámica

resultante del choque térmico ~500x: (a) Jalarc, y (b) Cenarc……….…………147

resultante del choque térmico ~50x: (a) Jalepo, y (b) Cenepo……….148

resultante del choque térmico ~50x: (a) Jalpol, y (b) Cenpol……….……….149

Figura 4.42 Fotografía ~ 8x, En la determinación del coeficiente de fricción del compuesto Jalarc

quedaron fragmentos adheridos en el papel de carburo de silicio No. 400 grit (ASTM C 1028 – 89). Laboratorio de máquinas herramienta de la SEPI-ESIME Zacatenco del IPN. México D. F., 2006……….………151

Figura 4.43 Fotografías ~ 8x, Huellas de desgaste abrasivo de los materiales compuestos (a)

(22)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _XIV

Figura 4.44 Micrografías ~ 500x, Asperezas causadas por el desgaste abrasivo en los compuestos

(a) Jalarc, (b) Cenarc, (c) Jalepo, (d) Cenepo, (e) Jalpol y (f) Cenpol, producidas por un disco de neopreno y partículas de arena sílica en un medio seco. Tomadas con el microscopio de barrido electrónico en el laboratorio de síntesis de materiales del ININ. México, 2006…………...…...156

4.45 Tasa de desgaste abrasivo seco en función de la distancia de deslizamiento de los

compuestos Jalarc, Cenarc, Jalepo, Cenepo, Jalpol y Cenpol, sobre el disco de neopreno…….157

Figura 4.46 Resistencia al desgaste abrasivo seco en función de la distancia de deslizamiento de

los compuestos Jalarc, Cenarc, Jalepo, Cenepo, Jalpol y Cenpol, sobre el disco de neopreno………...…158

Figura 4.47 Fotografías ~ 8x, Huellas de desgaste abrasivo de los compuestos (a) Jalarc, (b)

Cenarc, (c) Jalepo, (d) Cenepo, (e) Jalpol y (f) Cenpol, producidas por un disco de neopreno y partículas de arena sílica en un medio húmedo (agua)………162

Figura 4.48 Micrografías ~ 500x, Asperezas causadas por el desgaste abrasivo en los

compuestos (a) Jalarc, (b) Cenarc, (c) Jalepo, (d) Cenepo, (e) Jalpol y (f) Cenpol, producidas por un disco de neopreno y partículas de arena sílica en un medio húmedo. Tomadas con el microscopio de barrido electrónico en el laboratorio de síntesis de materiales del ININ. México, 2006………..163

Figura 4.49 Tasa de desgaste abrasivo húmedo en función de la distancia de deslizamiento de los

compuestos Jalarc, Cenarc, Jalepo, Cenepo, Jalpol y Cenpol, sobre el disco de neopreno……164

Figura 4.50 Resistencia al desgaste abrasivo húmedo en función de la distancia de deslizamiento

de los compuestos Jalarc, Cenarc, Jalepo, Cenepo, Jalpol y Cenpol, sobre el disco de neopreno……….……..165

Figura 4.51 Fotografías ~ 8x, Cráteres producidos por un chorro de partículas de carburo de

silicio en la superficie del material compuesto Jalarc a los ángulos de impacto (a) 90°, (b) 45° y (c) 30°………...………169

Figura 4.52 Micrografías ~ 50x, Cráteres producidos por un chorro de partículas de carburo de

silicio en la superficie del compuesto Jalarc a los ángulos de impacto (a) 90°, (b) 45° y (c) 30°. Tomadas con el microscopio de barrido electrónico en el laboratorio de síntesis de materiales del ININ. México, 2006………170

silicio en la superficie del material compuesto Cenarc a los ángulos de impacto (a) 90°, (b) 45° y (c) 30°………...………172

(23)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _XV Tomadas con el microscopio de barrido electrónico en el laboratorio de síntesis de materiales - ININ. México, 2006……….172

silicio en la superficie del material compuesto Jalepo a los ángulos de impacto (a) 90°, (b) 45° y (c) 30°……….175

silicio en la superficie del compuesto Jalepo a los ángulos de impacto (a) 90°, (b) 45° y (c) 30°. Tomadas con el microscopio de barrido electrónico en el laboratorio de síntesis de materiales del ININ. México, 2006……….175

Figura 4.57 Fotografías ~ 8x, Cráteres producidos por un chorro de partículas de carburo

de silicio en la superficie del compuesto Jalpol a los ángulos de impacto (a) 90°, (b) 45° y (c) 30°………....178

silicio en la superficie del material compuesto Jalpol a los ángulos de impacto (a) 90°, (b) 45° y (c) 30°. Tomadas con el microscopio de barrido electrónico en el laboratorio de síntesis de materiales del ININ. México, 2006……….……….178

Figura 4.59 Fotografías ~ 8x, Cráteres producidos por un chorro de partículas de carburo

de silicio en la superficie del compuesto Cenepo a los ángulos de impacto (a) 90°, (b) 45° y (c) 30°. ……….……….181

silicio en la superficie del compuesto Cenepo a los ángulos de impacto (a) 90°, (b) 45° y (c) 30°. Tomadas con el microscopio de barrido electrónico en el laboratorio de síntesis de materiales del ININ. México, 2006……….……….181

silicio en la superficie del compuesto Cenpol a los ángulos de impacto (a) 90°, (b) 45° y (c) 30°. ……….184

silicio en la superficie del material compuesto Cenpol a los ángulos de impacto (a) 90°, (b) 45° y (c) 30°. Tomadas con el microscopio de barrido electrónico en el laboratorio de síntesis de materiales del ININ. México, 2006……….……….184

Figura 4.63 Efecto del ángulo de impacto sobre la tasa de erosión de los materiales compuestos:

Jalarc, Cenarc, Jalepo, Cenepo, Jalpol y Cenpol……….185

Figura 4.64 Efecto del ángulo de impacto sobre la resistencia al desgate erosivo de los materiales

(24)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _XVI

Figura 4.65 Tasa de erosión en función del tiempo de exposición de los materiales compuestos:

Jalarc, Cenarc, Jalepo, Cenepo, Jalpol y Cenpol, para un ángulo de impacto de 30°………..186

Figura 4.66 Resistencia al desgaste erosivo en función del tiempo de exposición de los

compuestos Jalarc, Cenarc, Jalepo, Cenepo, Jalpol y Cenpol, para un ángulo de impacto de 30°……….……….187

Jalarc, Cenarc, Jalepo, Cenepo, Jalpol y Cenpol, para un ángulo de impacto de 45°…..188

compuestos: Jalarc, Cenarc, Jalepo, Cenepo, Jalpol y Cenpol, para un ángulo de impacto de 45°……….188 .

Jalarc, Cenarc, Jalepo, Cenepo, Jalpol y Cenpol, para un ángulo de impacto de 90°…..189

compuestos: Jalarc, Cenarc, Jalepo, Cenepo, Jalpol y Cenpol, para un ángulo de impacto de 90°………..190

Figura 4.71 Fotografías ~ 8x. Inspección de los compuestos Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc,

Cenepo y Cenpol: (a) Observación a simple vista, y (b) Observación con una lupa; después del ensayo de ataque químico- niebla salina en la cámara salina en el laboratorio de corrosión del ININ. México, 2005………..192

Figura 4.72. Micrografías de las microestructuras de las superficies de los materiales compuestos

(a) Jalarc, (b) Cenarc, (c) Jalepo, (d) Jalpol, (e) Cenepo y (b) Cenpol, después del ensayo de niebla salina……….……….193

Figura 4.73 Fotografías ~ 8x. (a) Inspección de los compuestos Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc,

Cenepo y Cenpol, con una lupa después haber sido sometidos a la prueba de % de humedad, (b) Superficie de Jalarc después del ensayo de % de humedad………..195

Figura 4.74 Micrografías ~ 500x. (a) Superficie del compuesto Cenepo atacada químicamente

con ácido clorhídrico. (b) Compuesto Jalpol atacado con acido acético…….…195

Figura 4.75 Micrografías ~ 500x. Superficie de Jalepo degradada con una solución de: (a) 100 g

(25)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _XVII

Figura 4.76 Micrografías ~ 500x. Superficie del compuesto Jalepo atacada con ácido

sulfámico………..197

Figura 4.77 Micrografías ~ 500x. Resistencia alcalina - Manchas y degradación química

producidas por el hidróxido de sodio en las superficies de los compuestos: (a) Cenpol, y (b) Jalpol………198

Figura 4.78 Micrografías ~ 500x. Resistencia alcalina - Manchas en la superficie de

Cenpol……….198

Figura 4.79 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la densidad real en g/cm3, de los compuestos: a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Jalpol, y f) F de Jalpol………..…………202

Figura 4.80 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la densidad real en g/cm3, de los compuestos: a) f de Cenarc, b) F de Cenarc, c) f de Cenepo, d) F de Cenepo, e) f de Cenpol, y f) F de Cenpol……….203

Figura 4.81 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la porosidad real en %, de los materiales compuestos: a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Jalpol, y f) F de Jalpol………..………206

Figura 4.82 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la porosidad real en %, de los compuestos: a) f de Cenarc, b) F de Cenarc, c) f de Cenepo, d) F de Cenepo, e) f de Cenpol, y f) F de Cenpol………..……..207 .

Figura 4.83 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la absorción de agua en %, de los materiales compuestos: a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Jalpol, y f) F de Jalpol……….………….210

Figura 4.84 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la absorción de agua en %, de los compuestos: a) f de Cenarc, b) F de Cenarc, c) f de Cenepo, d) F de Cenepo, e) f de Cenpol, y f) F de Cenpol……….………..211

Figura 4.85 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para el número de dureza Vickers (HV) de los compuestos: a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Jalpol, y f) F de Jalpol……….……….215

Figura 4.86 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para el número de dureza Vickers (HV) de: a) f de Cenarc, b) F de Cenarc, c) f de Cenepo, d) F de Cenepo, e) f de Cenpol, y f) F de Cenpol………...…….216

(26)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _XVIII

Figura 4.88 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para el esfuerzo de compresión en MPa, de: a) f de Cenarc, b) F de Cenarc, c) f de Cenepo, d) F de Cenepo, e) f de Cenpol, y f) F de Cenpol………..………..220

Figura 4.89 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la deformación de los compuestos: a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Jalpol, y f) F de Jalpol………..………223

Figura 4.90 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la deformación de los compuestos: a) f de Cenarc, b) F de Cenarc, c) f de Cenepo, d) F de Cenepo, e) f de Cenpol, y f) F de Cenpol………...…..224

Figura 4.91 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la resistencia a la flexión en MPa, de los compuestos: a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Jalpol, y f) F de Jalpol………..………227

Figura 4.92 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la resistencia a la flexión en MPa, de: a) f de Cenarc, b) F de Cenarc, c) f de Cenepo, d) F de Cenepo, e) f de Cenpol, y f) F de Cenpol……….228

Figura 4.93 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para el módulo de elasticidad en Gpa, de: a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Jalpol, y f) F de Jalpol………..231

Figura 4.94 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para el módulo de elasticidad en GPa, de: a) f de Cenarc, b) F de Cenarc, c) f de Cenepo, d) F de Cenepo, e) f de Cenpol, y f) F Cenpol………..232

Figura 4.95 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la deflexión en mm, de los materiales compuestos: a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Jalpol, y f) F de Jalpol………..……….235

Figura 4.96 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la deflexión en mm, de los compuestos: a) f de Cenarc, b) F de Cenarc, c) f de Cenepo, d) F de Cenepo, e) f de Cenpol, y f) F de Cenpol………..236

Figura 4.97 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la razón de esfuerzo de fatiga a 5 Hz en MPa/s, de: a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Jalpol, y f) F de Jalpol………..………239

(27)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _XIX

Figura 4.99 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la razón de esfuerzo de fatiga a 10 Hz en MPa/s, de: a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Jalpol, y f) F de Jalpol………..……….243

Figura 4.100 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F, para la razón de esfuerzo de fatiga a 10 Hz en MPa/s, de: a) f de Cenarc, b) F de Cenarc, c) f de Cenepo, d) F de Cenepo, e) f de Cenpol, y f) F Cenpol………...………244

Figura 4.101 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la energía máxima de impacto en J, de los compuestos: a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Jalpol, y f) F de Jalpol………..………247

Figura 4.102 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F, para la energía máxima de impacto en J, de: a) f de Cenarc, b) F de Cenarc, c) f de Cenepo, d) F de Cenepo, e) f de Cenpol, y f) F de Cenpol……….248

Figura 4.103 Funciones de densidades de probabilidad f, que describen la rugosidad del perfil de la zona de fractura en píxeles, de los especímenes de los compuestos de jales y ceniza volcánica, producida por el esfuerzo de flexión………..………..252

Figura 4.104 Distribuciones continuas de probabilidad F, que describen la rugosidad del perfil de la zona de fractura en píxeles, de los especímenes de los compuestos de jales y ceniza volcánica, producida por el esfuerzo de flexión………..………..253

Figura 4.105 Funciones de densidades de probabilidad f, que describen la rugosidad del perfil de la zona de fractura, en píxeles, de los especímenes de los compuestos de jales y ceniza volcánica, producida por el esfuerzo de fatiga……….…………..258

Figura 4.106 Distribuciones continuas de probabilidad F, que describen la rugosidad del perfil de la zona de fractura, en píxeles, de los especímenes de los compuestos de jales y ceniza volcánica, producida por el esfuerzo de fatiga……….…………258

Figura 4.107 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la conductividad térmica en J/(s*m*°C) de: a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Jalpol, y f) F de Jalpol……….260

Figura 4.108 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F, para la conductividad térmica en J/(s*m*°C) de: a) f de Cenarc, b) F de Cenarc, c) f de Cenepo, d) F de Cenepo, e) f de Cenpol, y f) F de Cenpol……….……….261

(28)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _XX a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Cenarc, y f) F de Cenarc………...…264

Figura 4.110 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para el coeficiente lineal de contracción térmica de: a) f de Jalpol, b) F de Jalpol, c) f de Cenepo, d) F de Cenepo, e) f de Cenpol, y f) F de Cenpol……….……….267

Figura 4.111 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la resistencia a la abrasión seca en m/mm3, de: a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Jalpol, y f) F de Jalpol……….………270

Figura 4.112 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F, para la resistencia a la abrasión seca en m/mm3, de: a) f de Cenarc, b) F de Cenarc, c) f de Cenepo, d) F de Cenepo, e) f de Cenpol, y f) F de Cenpol………...………271

Figura 4.113 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la resistencia a la abrasión húmeda en m/mm3 de: a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Jalpol, y f) F de Jalpol………..……….274

Figura 4.114 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F, para la resistencia a la abrasión húmeda en m/mm3, de los materiales compuestos: a) f de Cenarc, b) F de Cenarc, c) f de Cenepo, d) F de Cenepo, e) f de Cenpol, y f) F de Cenpol……275

Figura 4.115 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la resistencia a la erosión en min/g, en 10 min/30° de: a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Jalpol, y f) F Jalpol………...…278

Figura 4.116 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F, para la resistencia a la erosión en min/g, en 10 min/30°, de los materiales compuestos: a) f de Cenarc, b) F de Cenarc, c) f de Cenepo, d) F de Cenepo, e) f de Cenpol, y f) F de Cenpol……279

Figura 4.117 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la resistencia a la erosión en min/g, en 10 min / 45° de: a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Jalpol, y f) F Jalpol………...…………282

Figura 4.118 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F, para la resistencia a la erosión en min/g, durante 10 min / 45°, de los compuestos: a) f de Cenarc, b) F de Cenarc, c) f de Cenepo, d) F de Cenepo, e) f de Cenpol, y f) F de Cenpol…...283

Figura 4.119 Funciones de densidades de probabilidad f, y distribuciones continuas acumuladas F para la resistencia a la erosión en min/g, en 10 min/90° de: a) f de Jalarc, b) F de Jalarc, c) f de Jalepo, d) F de Jalepo, e) f de Jalpol, y f) F de Jalpol……….………….286

(29)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _XXI

INDICE DE TABLAS

Tabla 2.1. Principales características de los Jales tipo arena que existen en México……….35

Tabla 2.2. Principales características de la ceniza volcánica expulsada por los volcanes en

América……...42

Tabla 3.1.Equipo utilizado en la preparación de la materia prima-Jales………....50

Tabla 3.2. Especificaciones de los moldes diseñados la fabricación de las probetas de los

compuestos cerámica/jales o ceniza, y compuestos resina/jales o ceniza……….51

Tabla 3.3. Características de algunos equipos empleados en la elaboración de los compuestos

de matrices plásticas o cerámica reforzados con residuos mineros y volcánicos……….52

Tabla 3.4. Características algunos dispositivos utilizados en los experimentos

físicos-químicos de los materiales compuestos reforzados con jales o cenizas………...53

Tabla 3.5. Características de los tribómetros utilizados en las pruebas tribológicas de los

materiales compuestos reforzados con jales o cenizas………..53

Tabla 3.6. Características de las máquinas utilizadas en los ensayos mecánicos aplicados en

los materiales compuestos reforzados con jales o cenizas………55

Tabla 4.1 Composición química elemental de los residuos sólidos mineros y la ceniza

volcánica………...88

Tabla 4.2 Tamaño de partículas de los residuos sólidos mineros (jales) y la ceniza

Tabla 4.3 Estructuras cristalinas de los Jales grises recientes de Pachuca y ceniza

Tabla 4.4 Composición química de los compuestos fabricados a partir de Jales y ceniza

Tabla 4.5 Estructuras cristalinas de los nuevos compuestos de partículas de Jales y ceniza

Tabla 4.6 Tamaño de partículas de los materiales compuestos Jalarc, Cenarc, Jalepo, Cenepo,

Jalpol y Cenpol………..99

Tabla 4.7 Variables para fijar las propiedades físicas de los materiales compuestos: Jalarc,

Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol………109

Tabla 4.8 Propiedades físicas de de los compuestos: Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y

Cenpol………..…..110

Tabla 4.9 Número de dureza Vickers para los materiales compuestos de matriz cerámica

(arcilla) y polímero (resina poliéster y epóxica) reforzada con residuos sólidos mineros y ceniza volcánica……….……114

Tabla 4.10 Valores de carga, esfuerzo de compresión, desplazamiento y deformación para

(30)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _XXII reforzada con residuos sólidos mineros y ceniza volcánica, obtenidos en la prueba de compresión………..116

Tabla 4.11 Carga máxima aplicada, deflexión, módulo de elasticidad y del módulo de ruptura

para los compuestos de matriz cerámica (arcilla) y polímero (resina poliéster y epóxica) reforzada con residuos sólidos mineros y ceniza volcánica, determinados en la prueba de flexión en tres puntos………..…120

Tabla 4.12. Parámetro obtenidos en el ensayo de la resistencia a la fatiga en flexión en cuatro

puntos de los nuevos materiales compuestos: Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol……….…123

Tabla 4.13. Valores de resistencias a la fatiga en flexión y razones de esfuerzos en las

posiciones pico y valle de la sinusoide obtenidos en el ensayo de la resistencia a la fatiga en cuatro puntos de los nuevos materiales compuestos: Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol……….124

Tabla 4.14. Datos del ensayo de impacto Charpy para los compuestos de matriz cerámica y

de resina poliéster y epóxica reforzada con residuos sólidos mineros, y ceniza volcánica…128

Tabla 4.15. Valores del exponente de Hurst obtenidos a través de los métodos de trazados

autoafines (Rango Escalado, Rugosidad–Longitud y Variograma) del programa Benoit, en el perfil de fractura de los compuestos Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol originado en el ensayo de flexión ………...131

Tabla 4.16 Valores del coeficiente de Hurst obtenidos a través de los métodos de trazados

auto-afines (Rango Escalado, Rugosidad–Longitud y Variograma) del programa Benoit, en el perfil de fractura de: Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol, originado en la prueba de fatiga a 5 Hz ………..133

Tabla 4.17. Valores del coeficiente de Hurst calculados a través de los métodos de trazados

autoafines (Rango Escalado, Rugosidad – Longitud y Variograma ) en el perfil de fractura de: Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol, originado en el ensayo de fatiga a 10 Hz………134

Tabla 4.18 Parámetros registrados en el ensayo de conductividad térmica para los

compuestos de matriz cerámica, y polímero (resina poliéster y epóxica) reforzadas con jales, y ceniza volcánica……….……….135

Tabla 4.19 Conductividad térmica para los materiales compuestos: Jalarc, Jalepo y

Jalpol………...137

Tabla 4.20 Conductividad térmica para los materiales compuestos Cenarc, Cenepo y

Cenpol……….138

Tabla 4.21 Longitudes medidas en las probetas de los compuestos Jalarc, Jalepo y Cenarc a

(31)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _XXIII

Tabla 4.22 Coeficiente lineal de expansión térmica de los compuestos Jalarc, Jalepo y

Cenarc……….142

Tabla 4.23 Longitudes medidas en las probetas de los materiales compuestos Jalpol, Cenepo

y Cenpol a las temperaturas indicas durante el ensayo para determinar el coeficiente de contracción térmica………...………..144

Tabla 4.24 Coeficiente de contracción térmica para los compuestos Jalpol, Cenepo y

Cenpol………...14 5

Tabla 4.25 Coeficiente de fricción estático de los compuestos de matriz cerámica, y polímero

(resina poliéster y epóxica) reforzada con jales, y ceniza volcánica en superficies secas y húmedas………...………...………150

Tabla 4.26 Parámetros medidos en el ensayo de desgaste de abrasión seca de los compuestos

de matriz cerámica, y polímero (resina poliéster y epóxica) reforzada con jales y ceniza volcánica………...…………..152

Tabla 4.27 Masas perdidas en el ensayo de desgaste de abrasión seca de los compuestos de

matriz cerámica, y polímero (resina poliéster y epóxica) reforzada con jales, y ceniza volcánica……….…153

Tabla 4.28 Parámetro resultantes del ensayo de desgaste de abrasión seca de los compuestos

de matriz cerámica, y polímero (resina poliéster y epóxica) reforzada con jales, y ceniza volcánica.………154

Tabla 4.29 Parámetros medidos en el ensayo de desgaste de abrasión húmeda de los

compuestos de matriz cerámica, y polímero (resina poliéster y epóxica) reforzada con jales y ceniza volcánica………..………159

Tabla 4.30 Masas perdidas y medidas del perfil de la huella en el ensayo de desgaste de

abrasión húmeda de los materiales compuestos de matriz cerámica, y polímero (resina poliéster y epóxica) reforzada con jales, y ceniza volcánica………..…………160

Tabla 4.31 Parámetro resultantes del ensayo de desgaste de abrasión húmeda de los

compuestos de matriz cerámica, y polímero (resina poliéster y epóxica) reforzada con jales, y ceniza volcánica……….……….161

Tabla 4.32 Parámetros medidos en el ensayo de la resistencia a la erosión por chorro de

partículas de carburo de silicio del material compuesto Jalarc a los ángulos de impacto de 30°, 45° y 90°………..……..167

Tabla 4.33 Valores de la masa perdida, el volumen perdido, tasa de erosión y resistencia a la

(32)

Estudio Mecánico Probabilístico de Materiales Compuestos Obtenidos de Residuos Sólidos Mineros. _XXIV

partículas de carburo de silicio del material compuesto Cenarc a los ángulos de impacto de 30°, 45° y 90°………..170

erosión de Cenarc obtenidos en el ensayo de erosión en un tiempo de 0 a 10 min a los ángulos 90, 45 y 30.°………171

partículas de carburo de silicio del material compuesto Jalepo a los ángulos de impacto de 30°, 45° y 90°……….173

erosión de Jalepo obtenidos en el ensayo de erosión en un tiempo de 0 a 10 min a los ángulos 30, 45 y 90°………174

partículas de carburo de silicio del material compuesto Jalpol a los ángulos de impacto de 30°, 45° y 90°………...………..176

erosión de Jalpol obtenidos en el ensayo de erosión en un tiempo de 0 a 10 min a los ángulos 30, 45 y 90°………..………..177

partículas de carburo de silicio del material compuesto Cenepo a los ángulos de impacto de 30°, 45° y 90°………..179

erosión de Cenepo obtenidos en el ensayo de erosión en un tiempo de 0 a 10 min a los ángulos 30, 45 y 90°………180

partículas de carburo de silicio del material compuesto Cenpol a los ángulos de impacto de 30°, 45° y 90°………..………182

erosión de Cenpol obtenidos en el ensayo de erosión en un tiempo de 0 a 10 min a los ángulos 30, 45 y 90°……….…183

Tabla 4.44 Variables observadas en la cámara salina durante el ensayo de niebla salina en los

materiales compuestos Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol……….…..191

Tabla 4.45 Variables verificadas durante el ensayo de resistencia a la humedad en el entorno

de los materiales compuestos Jalarc, Jalepo, Jalpol, Cenarc, Cenepo y Cenpol………..…..194

Tabla 4.46 Función de distribución y parámetros estadísticos de ajustes esperados para la