DISEÑO DE UNA MEZCLA ENTRE MATERIAL GRANULAR Y …

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA CIVIL

DISEÑO DE UNA MEZCLA ENTRE MATERIAL GRANULAR Y BORRAS

PETROLERAS PARA USO COMO CAPA GRANULAR EN UNA ESTRUCTURA

DE VÍA

PRESENTA POR:

DAVID SANTIAGO VALBUENA ROJAS

20122279071

JOSÉ MAICOL SIERRA GONZÁLEZ

20122279041

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERIA CIVIL BOGOTA D.C

2015



DISEÑO DE UNA MEZCLA ENTRE MATERIAL GRANULAR Y BORRAS

PETROLERAS PARA USO COMO CAPA GRANULAR EN UNA ESTRUCTURA

DE VÍA.

AUTORES:

DAVID SANTIAGO VALBUENA ROJAS

20122279071

JOSÉ MAICOL SIERRA GONZÁLEZ

20122279041

TRABAJO DE GRADO PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO CIVIL

DIRECTOR:

ING. VICTOR HUGO DIAZ ORTIZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS

FACULTAD TECNOLOGICA PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERIA CIVIL

BOGOTA D.C 2015

NOTA DE ACEPTACIÓN



EL trabajo de grado titulado: DISEÑO DE UNA MEZCLA ENTRE MATERIAL GRANULAR Y BORRAS PETROLERAS PARA USO COMO CAPA GRANULAR EN UNA ESTRUCTURA DE VÍA., de los autores David Santiago Valbuena Rojas y José Maicol Sierra González, cumple con los requisitos para optar al título de Ingeniero Civil.

_______________________________

Firma Tutor

_______________________________

Firma jurado

_______________________________

Firma jurado

BOGOTA D.C, Septiembre de 2015



AGRADECIMIENTOS

Este Trabajo de Grado es el resumen del esfuerzo que hicieron muchas personas

durante el tiempo que estuvimos estudiando Ingeniería Civil. Por esta razón, nos

gustaría agradecer a todos ellos que nos apoyaron y estuvieron con nosotros

durante este proceso. Les agradecemos enormemente a:

Nuestra familia y amigos, por su apoyo incondicional.

Ingeniero Luis Ernesto Barrios Calderon quien fue de gran apoyo en todo el

proceso de este trabajo.

Laboratorios CONTECON-URBAN, gracias por su apoyo y por los servicios

prestados en especial al Ingeniero Camilo Torres.

Equipo de Ingeniería Civil de campo y oficina en especial a los ingenieros

Hugo Vargas y Fabián Forero por su apoyo incondicional.

A cada uno de los maestros que tuve a lo largo de la carrera.

A todos los mencionados y a los que de pronto se me olvidó mencionar, sólo les

puedo decir:

Muchas Gracias.



CONTENIDO

RESUMEN ............................................................................................................. 10

INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 11

1. PRESENTACIÓN DEL PROYECTO. ............................................................. 12

1.1 IDENTIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN EL PROBLEMA.............................. 12

1.2 JUSTIFICACIÓN ....................................................................................... 13

1.3 INTERROGANTE ..................................................................................... 14

1.4 OBJETIVOS .............................................................................................. 15

1.4.1. OBJETIVO GENERAL ....................................................................... 15

1.4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS .............................................................. 15

2 MARCO DE REFERENCIA ............................................................................ 16

2.1 MARCO TEORICO ................................................................................... 16

2.1.1. Borras. ................................................................................................ 16

2.1.2. Métodos de disposición final de las borras ......................................... 18

2.1.3. Recebo común ................................................................................... 19

2.1.4. Ensayo de Proctor modificado de laboratorio ..................................... 19

2.1.5. Ensayo de CBR de Laboratorio .......................................................... 21

2.1.6. Lecho de secado ................................................................................ 23

2.1.7. Gravedad especifica en grados Baume o grados API ........................ 25

2.2 MARCO NORMATIVO. ............................................................................. 27

2.3 MARCO GEOGRAFICO ........................................................................... 28

2.4 GLOSARIO ............................................................................................... 31

3 METODOLOGÍA. ............................................................................................ 32

3.1 Primer capítulo. Obtención de materias primas. ....................................... 32

3.2 Segundo capitulo. Deshidratación y secado del Borras. ........................... 32

3.3 Tercer capítulo. Caracterización de los materiales. .................................. 32

3.4 Cuarto capítulo. Definición de proporciones para elaboración de la mezcla

Recebo más Borras ............................................................................................ 33

3.5 Quinto capítulo. Ensayos de CBR ............................................................ 33



3.6 Tratamiento especial borras ..................................................................... 33

4 PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS ............................................................. 34

4.1 LECHO DE SECADO A ESCALA ............................................................. 34

4.1.1. Elección Sistema de Deshidratación y Desvolatilización de la Muestra

de Borras. ....................................................................................................... 34

4.1.2. Construcción del Lecho de Secado a Escala ..................................... 35

4.1.3. Evolución del lecho de secado ........................................................... 38

4.1.4. Retiro de borras del lecho de secado. ................................................ 41

4.2 CARACTERIZACION DEL BORRAS........................................................ 43

4.2.1. Obtención Borras ............................................................................... 43

4.2.2. Clasificación de las borras como residuo o desecho peligroso. ......... 44

4.2.3. Propiedades físicas de las borras. ..................................................... 45

4.2.4. Borras después del lecho de secado. Densidad, gravedad específica y

grado API. ....................................................................................................... 46

4.3 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL GRANULAR. ............................... 50

4.3.1. Obtención del material granular. ........................................................ 50

4.3.2. Ensayos de Laboratorio Material Granular. ........................................ 51

5 ANALISIS DE RESULTADOS. ....................................................................... 64

5.1 COMPARACIÓN HUMEDAD OPTIMA - PORCENTAJE OPTIMO DE

BORRAS ............................................................................................................ 64

5.2 COMPARACIÓN RESULTADOS CBR DE LABORATORIO .................... 65

6 CONCLUSIONES ........................................................................................... 71

7 RECOMENDACIONES. .................................................................................. 73

BIBLIOGRAFIA. ..................................................................................................... 75

ANEXOS ................................................................................................................ 77



LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Tanques de almacenamiento de crudo. .................................................. 16

Figura 2. Diseño típico lecho de secado. ............................................................... 24

Figura 3. Vías pavimentadas departamento del Casanare .................................... 29

Figura 4. Material particulado en vía temporal a campo petrolero ......................... 30

Figura 5. Mapa de infraestructura petrolera Casanare ANH 2015 ......................... 30

Figura 6. Granulometría de la arena del lecho de secado ..................................... 37

Figura 7. Lecho de secado recién construido ........................................................ 37

Figura 8. Lecho de secado día 0. Un minuto después de adicionar las borras ...... 38

Figura 9. Tapado del lecho de secado con dos aberturas laterales para circulación

de aire .................................................................................................................... 38

Figura 10. Evolución del lecho de secado ............................................................. 39

Figura 11. Estado final lechos de secado. 7 de septiembre de 2015 Día 30 ......... 40

Figura 12. Retiro de borras luego de 30 días de secado ....................................... 41

Figura 13. Borras finales luego del secado ............................................................ 42

Figura 14. Capa con propiedades plásticas encontrada en el lecho de secado. ... 43

Figura 15. Galón de borras .................................................................................... 44

Figura 16. Procedimiento para determinación de gravedad específica y gravedad

API despues del lecho de secado. ......................................................................... 47

Figura 17. Gráfica Grado API y Gravedad Especifica Borras ................................ 49

Figura 18. Recebo puesto en bandejas para su secado natural. ........................... 50

Figura 19. Resultado Proctor modificado Recebo más agua ................................. 54

Figura 20. Resultado proctor Recebo más borras vs Porcentaje volatizado de

borras ..................................................................................................................... 56

Figura 21. Resultado porcentaje óptimo de Borras ................................................ 57

Figura 22. Grafica CBR recebo más agua ............................................................. 59

Figura 23. Resultado ensayo CBR, Recebo más agua .......................................... 60

Figura 24. Grafica CBR, recebo más Borras ......................................................... 62

Figura 25. Resultado CBR, Recebo más Borras.................................................... 63

Figura 26. Comparación humectación optimas Borras-Agua ................................. 64

Figura 27. Comparación Esfuerzo vs penetración muestra Con borras (CB) y sin

borras (SB)............................................................................................................. 65

Figura 28. Incremento de CBR muestra con borras (CB) y sin borras (SB) 65

golpes .................................................................................................................... 66


golpes .................................................................................................................... 67


golpes .................................................................................................................... 67



Figura 31. Comparación esfuerzo-penetración, muestra con borras (CB) y sin

borras (SB) 65 golpes ............................................................................................ 68


borras (SB) 30 golpes ............................................................................................ 69


borras (SB) 10 golpes ............................................................................................ 70



LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Composición aproximada del crudo ......................................................... 17

Tabla 2. Valores de presión y penetración de la muestra patrón ........................... 22

Tabla 3. Granulometría para material filtrante del lecho de secado ....................... 24

Tabla 4. Memoria de cálculo tiempo de secado borras .......................................... 35

Tabla 5. Evolución del lecho de secado ................................................................. 40

Tabla 6. Evolución infiltración lecho de secado ..................................................... 41

Tabla 7. Análisis físico de las Borras ..................................................................... 45

Tabla 8. Contenido de agua Borras ....................................................................... 46

Tabla 9. Determinación de la gravedad específica, grado API muestra luego del

lecho de secado ..................................................................................................... 48

Tabla 10. Resultados Densidad, GS y grado API Borras ...................................... 50

Tabla 11. Resumen laboratorios caracterización recebo ....................................... 51

Tabla 12. Resultado ensayo Proctor modificado recebo más agua ....................... 53

Tabla 13. Resultado proctor recebo más borras .................................................... 55

Tabla 14. Resultado CBR Recebo más agua ........................................................ 58

Tabla 15. Resultado CBR Recebo más Borras ...................................................... 61



10

RESUMEN

Las borras generadas en los procesos de extracción, separación, y almacenamiento de crudo son contaminantes y poco útiles en la industria petrolera por tener la característica de ser residuos difíciles de tratar ya que es un hidrocarburo con una compleja y larga cadena química, obligando a las empresas productoras de crudo a realizar una disposición final de dicho residuo en lugares especializados y generalmente alejados de los campos de producción generando elevados costos en este proceso.

Por otro lado, las vías temporales usadas para la interconexión de los campos petroleros en varios puntos de Colombia son en afirmado por factores políticos, la dificultad topográfica del terreno, y factores socioeconómicos que imposibilitan una mejor calidad en este tipo de vías. Por tal motivo, su mantenimiento se debe hacer a corto plazo, en especial en vías con alto tráfico, lo que genera costos de reparación, transporte de material seleccionado y en mano de obra.

Estas vías internas de operación, que comunican campos exploratorios, cada año

reciben un mantenimiento aliviando el confort para el tráfico vehicular, esta

solución es poco duradera debido a las condiciones adversas a las que se

someten diariamente las vías como también, debido a la baja cohesión que

presenta el material con que se ejecutan los mismos.

Se propone estudiar la generación de una mezcla de un agregado pétreo definido

por norma como recebo y residuos petroleros conocidos como borras, que

cumplan con las solicitudes técnicas, para reutilizar estos residuos en la

construcción de las vías temporales y en los terraplenes en general hechos en

campo. Reduciendo costos, reutilizando un desecho y observando que

características favorables adicionales pueda tener esta mezcla.



11

INTRODUCCIÓN

Se ha venido trabajando en la posibilidad de implementar el uso del borras en conjunto con un material granular para la construcción de vías temporales con el fin de reutilizar y optimizar procesos industriales que representen ganancias económicas, ayudas ambientales y solución a problemas de movilidad.

Las borras generadas en los procesos de extracción, separación, y almacenamiento, de crudo son contaminantes y poco útiles en la industria petrolera por tener la característica de ser residuos difíciles de tratar, compuestos por un hidrocarburo con una compleja y larga cadena química, obligando a las empresas productoras de crudo a realizar una disposición final de dicho residuo en lugares especializados y generalmente alejados de los campos de producción generando elevados costos en este proceso.

El alcance del presente proyecto es evaluar la posibilidad de utilizar agregados pétreos y residuos petroleros conocidos como Borras para utilizarse en conjunto para el mejoramiento de las vías terciarias construidas o por construir, bajo su fundamento teórico, práctico y de laboratorio, precisamente para evaluar el comportamiento de los materiales con su respectivo análisis.

Para realizar este estudio se solicitó una muestra de borras a una Operadora petrolera del país en los Llanos Orientales, cuyo campo de producción se caracteriza por tener pozos de crudo liviano. Para esto se mezclara con un agregado petreo clasificado como recebo ya que su capacidad portante es baja y se compara su comportamiento mecánico por medio de ensayos CBR de laboratorio.

Determinando el porcentaje óptimo de mezcla entre el material granular y el borras, realizando ensayos que caractericen físicamente ambos componentes y observando a medida que se realiza el trabajo que recomendaciones o conclusiones se pueden obtener. Esto para ver si el borras se puede utilizar como liquido humectante del material granular para que reorganice las partículas y logre una compactación sin comprometer las propiedades mecánicas del material, esperando una posible mejoría del mismo.

Las vías temporales en campo se construyen hasta la capa de rasante, con material de préstamo lateral o seleccionado de canteras ubicados en los ríos de los llanos orientales. Por tal motivo se desea estudiar el comportamiento de la mezcla, en especial esta capa de la estructura de la vía ya que sería la aplicación real en campo.



12

1. PRESENTACIÓN DEL PROYECTO.

1.1 IDENTIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN EL PROBLEMA

Actualmente no se cuenta con un proceso óptimo de recuperación de materiales

provenientes del reciclado de borras, residuo constante en el proceso de

extracción y producción del crudo, el cual requiere de una inversión permanente

en su almacenamiento, transporte y disposición final, es por esto que se hace

necesaria la búsqueda de alternativas que promuevan el uso de estos desechos

dentro de los proyectos de mantenimiento, rehabilitación y construcción vial.

Como consecuencia del crecimiento económico y la necesidad de incrementar la

infraestructura petrolera en nuestro país, actualmente se están impulsando

proyectos a nivel nacional que demandan cada vez más, una gran cantidad de

recursos y materias primas que generan un impacto medio ambiental bastante

significativo. Adicionalmente el deterioro de la red vial existente entre los campos

petroleros debido a condiciones como el flujo vehicular, el clima, el tiempo de

servicio, entre otros, hace necesario la implementación de nuevas tecnologías

como el mejoramiento de vías con mezcla de agregados pétreos con borras

petroleras como alternativa para el aprovechamiento y la optimización de los

recursos existentes.

Esto para reducir costos de la disposición de este residuo y solventar problemas

técnicos y ambientales que actualmente se presentan en campo, como el

transporte de largas distancias de materiales granulares seleccionados y de buena

calidad, captación de agua de fuentes hídricas, contaminación por materiales

particulados una vez puesta en operación las vías temporales, que se podrían

mitigar al utilizar las borras como parte de la mezcla en las estructuras viales

temporales, que se usan en las carreteras que intercomunican los diferentes

campos petroleros.



13

1.2 JUSTIFICACIÓN

La crítica disponibilidad de recursos económicos destinados a proyectos nuevos o

su insuficiencia para hacer frente a la continua y efectiva conservación,

rehabilitación y reconstrucción de los sistemas viables existentes, ha obligado a

estudiar y aplicar técnicas de mantenimientos menos onerosos pero con un

comportamiento similar a las actuaciones convencionales.

Esta mezcla de borras y agregados pétreos podrían presentar las siguientes

ventajas:

Permite la reutilización de los residuos provenientes de la extracción

petrolera en los campos, incorporando estos desechos en bases de

rodadura con propiedades mecánicas similares a las existentes con

productos asfalticos comunes.

Económicamente reduce costos de disposición final para las borras lo que

permite ahorrar costos para la elaboración de una nueva mezcla asfáltica

teniendo en cuenta que el material de aporte proviene de procesos de

reciclaje.

Las borras con un desecho que siempre se generara en la explotación

petrolera, lo que hace que sea un problema constante en esta actividad, al

poderle dar un uso en las obras civiles fomentaría el aprovechamiento de

este residuo y ya pasaría a ser un elemento pasivo (Almacenado) a ser un

elemento dinámico en el desarrollo vial.

Reduce costos permanentes de tratamiento y disposición final de residuos

industriales como son las borras petroleras.

Mejora la resistencia de las vías temporales a los efectos climáticos como la

lluvia y el viento.

Pero probablemente también tendría las siguientes desventajas.

Al ser un hidrocarburo sin refinación posee aún muchas cadenas químicas

livianas que con el tiempo probablemente podría llegar a ser un agente

contaminante en el ambiente circundante.

Para evitar la generación de aceites con seguridad se deberían usar

aditivos que harían la mezcla económicamente inviable.

Los anteriores beneficios promueven el empleo de materiales reciclados para el

desarrollo de proyectos de infraestructura vial en los diferentes requerimientos que



14

el país presente y hacen necesario la caracterización de las mezclas recicladas y

de los materiales que la componen, para argumentar de manera técnica las

buenas propiedades mecánicas y físicas que resultan de la combinación del

borras con el material granular.

Se tienen en consideración las actuales condiciones de los campos petroleros de

Colombia en la zona de los llanos orientales, los cuales están expuestos a varios

factores dañinos para las obras civiles como los cambios de temperatura,

temporadas de sequias y en contrasté temporadas de gran pluviosidad. Operación

de vehículos de carga con producción continúa de crudo, que transita por las vías

que intercomunican los diferentes campos petroleros.

Algunos campos se encuentran ubicados lejos de centros poblados importantes,

provocando que el transporte de maquinaria y personal calificado sea un proceso

logístico y administrativo dispendioso. Además de los altos estándares de

seguridad industrial propios de la industria de hidrocarburos exigidos a los

contratistas de obras civiles. Sean factores que incrementan los costos de

construcción y mantenimiento de las vías temporales.

Estas vías temporales se deben realizar para poder transportar la producción de

los diferentes campos por medio de carrotanques hasta los puntos donde se

cuente con una infraestructura de transporte de hidrocarburos más eficiente como

lo son los oleoductos y poliductos. Siempre tratando de mantener los costos de

construcción y mantenimiento de estas infraestructuras al mínimo.

Por tal motivo es evidente el impacto económico que podría generar la

implementación de nuevas alternativas de reciclaje de materiales en los proyectos

de rehabilitación, conservación en vías temporales, como también el ahorro en el

tratamiento de los residuos petroleros.

1.3 INTERROGANTE

¿Puede utilizarse el residuo petrolero Borras en combinación con material granular

para ser utilizada como capa en una estructura vial?



15

1.4 OBJETIVOS

1.4.1. OBJETIVO GENERAL

1.4.1.1 Estudiar las propiedades físicas del borras, que permita clasificarlo

como material asfaltico y mezclarlo con material granular para determinar las

nuevas características mecánicas que produce esta mezcla y su posible uso.

1.4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

1.4.2.1 Caracterizar el material granular recebo, utilizado para la mezcla

mediante ensayos individuales.

1.4.2.2 Caracterizar las borras físicamente teniendo encuentra parámetros

de seguridad. Mediante ensayos de Gravedad específica, gravedad API y

viscosidad.

1.4.2.3 Realizar un lecho de secado a escala que permita deshidratar la

muestra de borras y volatilizar sus cadenas de hidrocarburos más livianas,

mecánicamente mediante infiltración y por evaporación de la superficie expuesta

al aire.

1.4.2.4 Plantear combinaciones de varias proporciones de borras con

material granular para establecer un porcentaje optimo según los criterios mininos

establecidos en la normatividad actual.

1.4.2.5 Realizar ensayo de laboratorio CBR a la mezcla elaborada de

agregado pétreo con borras, para establecer el comportamiento mecánico de las

mismas en comparación de una materia pétreo recebo compactado con su

humedad óptima.

1.4.2.6 Analizar los resultados obtenidos sobre el comportamiento de la

mezcla, estableciendo conclusiones y recomendaciones.



16

2 MARCO DE REFERENCIA

2.1 MARCO TEORICO

2.1.1. Borras.1

Son generadas en los tanques y tuberías de la industria del petróleo son residuos

que se forman después de largos periodos de tiempo, por sedimentación y

aglomeración de:

Compuestos hidrocarbonados, especialmente de cadenas más largas, presentes en el crudo,

Sólidos, sedimentos (rocas, arena, lodos de perforación, entre otros) y materia orgánica,

Agua Como consecuencia de las aglomeraciones de los hidrocarburos, la emulsión del agua en el crudo y la retención de sedimentos en aquella; los grados API disminuyen, alcanzando valores incluso inferiores a 10 ºAPI, formándose masas densas y viscosas, difíciles de bombear, que se depositan en el fondo de los tanques, reduciendo su capacidad, o generan taponamientos en las tuberías.

Figura 1. Tanques de almacenamiento de crudo.

1 Suarez, Desarrollo de un método químico para recuperación de crudo a partir de las borras

generadas en los procesos de mantenimiento de tanques y tuberías en distritos de producción petroleros de Colombia. Bogotá, Universidad Nacional de Colombia. 2011. Pág 5-7



17

La borra está compuesta en general por hidrocarburos parafínicos, asfaltenos, agua, compuestos de azufre, óxidos metálicos, gases disueltos y sólidos como arena y sedimentos. Como la proporción de estos componentes en las borras depende de las características del crudo de cada lugar donde ha sido extraído, las cuales a su vez dependen de los compuestos con que ha sido formado, es importante señalar algunas generalidades respecto a los crudos. De acuerdo con la literatura la composición aproximada del crudo es presentada en la Tabla 1.

Tabla 1. Composición aproximada del crudo

Elemento %

C 83 a 87%

H 11 a 14%

O 0 a 5%

S 0 a 6%

N 0 a 0.5%

C. Inorgánicos 0 a 0.1%

El crudo se puede clasificar según su composición en:

Parafínicos: Sus compuestos principales son hidrocarburos saturados de bajo peso molecular, lo que permite que sean crudos muy fluidos. Tienen una densidad alrededor de 0,85 kg/L y están por encima de los 31º API. Son los crudos más apetecidos comercialmente y de mayor precio, por su facilidad de ser procesados y por la calidad de los productos obtenidos. Estos crudos producen mayores porcentajes de parafinas, naftas (solventes y gasolinas) y bases de aceites lubricantes que otros crudos.

Nafténicos: Sus compuestos principales son naftenos e hidrocarburos aromáticos; tienen un mayor peso molecular que los compuestos parafínicos y una densidad alrededor de 0,95 kg/L. Están entre los 10 y los 22º API, siendo muy viscosos y de coloración oscura. Generan gran cantidad de residuos en los procesos de destilación, principalmente asfalto.

Mixtos: Están formados por toda clase de hidrocarburos: parafinas, naftenos, hidrocarburos saturados, insaturados y aromáticos, entre otros, encontrándose densidades alrededor de 0,9 kg/L y gravedades API entre los 22° y los 31º.

Dulce: Su contenido de azufre es menor de 0,5%, por lo cual requiere menor costo en su proceso de refinación para producir gasolina.



18

Agrio: su contenido de azufre es mayor que 1%, necesitando mayor inversión en su procesamiento para retirar este contaminante.

2.1.2. Métodos de disposición final de las borras2

Dentro de los métodos de disposición final más utilizados por las empresas a nivel de los distritos petroleros, se encuentra el método de biorremediación. Otro método de disposición final muy común que es ofrecido a las empresas es la incineración. A continuación se hace una breve descripción de ambos métodos de disposición final. Biorremediación. La biorremediación consiste en la eliminación de contaminantes

usando microorganismos. Es un proceso complejo que debe tener en cuenta

aspectos de la naturaleza y cantidad de contaminantes, las condiciones locales y

la composición de la comunidad microbiana autóctona. El material contaminado se

trata en el sitio ó en biorreactores.

Para el caso de los hidrocarburos, la biorremediación del suelo, es el más económico. En el tratamiento de tierras se puede controlar el lugar y, hasta cierto punto, la tasa de degradación, pero necesita cierta preparación para asegurar que la escorrentía y la lixiviación no extiendan los contaminantes. Los hidrocarburos se aplican al suelo de tal forma que se consiga una concentración del 5% en los 15-20 cm superiores del suelo; por encima del 10% se inhiben los procesos de biodegradación. Estos límites de concentración se traducen en que por cada 100 mil litros de hidrocarburos se necesita una hectárea de tierra. El pH se ajusta mediante caliza entre 7 y 8. Se aplican abonos que aporten Nitrógeno y Fósforo en una relación de N=200:1, P=800:1. Durante este tipo de tratamientos, hay emisión de compuestos volátiles a la atmósfera. Sin embargo, no todos los hidrocarburos son degradados con la misma velocidad o con la misma eficiencia; los hidrocarburos aromáticos policíclicos (o PHA‘s por sus siglas en inglés), comúnmente presentes en crudos extrapesados, muy similares a las borras, usualmente son recalcitrantes, potencialmente bioacumulables y altamente carcinogénicos, lo que implica que su degradación por biorremediación no es fácil y debe hacerse con cuidado. Incineración. La incineración es el método de tratamiento de los residuos más

antiguo; tiene como principio la combustión controlada de los residuos,

transformándolos en materiales no combustibles, inodoros, homogéneos e inertes.

2 Suarez, Desarrollo de un método químico para recuperación de crudo a partir de las borras

generadas en los procesos de mantenimiento de tanques y tuberías en distritos de producción petroleros de Colombia. Bogotá, Universidad Nacional de Colombia. 2011. Pág 9-10



19

La incineración consiste en la oxidación exotérmica rápida de los compuestos

combustibles. A través de este método se reduce el volumen de los residuos, pero

se generan emisiones; los costos de capital, operación y mantenimiento son altos;

requiere personal de operación calificado y requiere control de emisiones

gaseosas. Las temperaturas que se manejan en los incineradores pueden estar

cercanas a los 800°C. Es necesaria la inyección de oxígeno para combustión

completa, para lo cual es necesario realizar análisis elementales de la

composición, para estimar los requerimientos teóricos del aire y oxígeno. Dentro

de los incineradores, el más usado, es el incinerador de pisos múltiple, por ser

durable, de operación simple, y puede manejar cargas de cantidad y calidad

variables. Otro tipo de incinerador común, es el de lecho fluidizado que es un

depósito vertical cilíndrico de acero revestido con material refractario, que contiene

un lecho de arena y orificios para alimentar aire para la producción y

mantenimiento de combustión continua.

2.1.3. Recebo común

Es un material compuesto por diversos elementos, principalmente pétreos de

tamaños diversos proceden de la fragmentación natural o artificial de la roca.

(Principalmente ígneas)

Este material se usa extendiéndose sobre el firme de una carretera para igualarlo

y consolidarlo, Se emplea para el diseño de caminos de bajo volumen de tránsito,

principalmente vías rurales, esta capa se compacta de forma manual o mecánica

sobre la capa de subrasante o suelo.

Las especificaciones técnicas de este material son inferiores a sub bases

seleccionadas como la tipo IDU B-200, teniendo una resistencia según el ensayo

de CBR del material, correspondiente a una compactación del 95% de la máxima

del Proctor Modificado como mínimo del 10% mínimo y un índice de plasticidad

menor al 12%.

2.1.4. Ensayo de Proctor modificado de laboratorio

El ensayo de compactación Proctor es uno de los más importantes procedimientos

de estudio y control de calidad de la compactación de un terreno. A través de él es



20

posible determinar la compactación máxima de un terreno en relación con su

grado de humedad, condición que optimiza el inicio de la obra con relación al

costo y el desarrollo estructural e hidráulico.

Existen dos tipos de ensayo Proctor normalizados; el "Ensayo Proctor Normal", y

el "Ensayo Proctor Modificado". La diferencia entre ambos estriba en la distinta

energía utilizada, debido a una mayor masa del pisón y mayor altura de caída en

el Proctor modificado.

Ambos ensayos se deben al ingeniero que les da nombre, Ralph R. Proctor

(1933), y determinan la máxima densidad que es posible alcanzar para suelos o

áridos, en unas determinadas condiciones de humedad, con la condición de que

no tengan excesivo porcentaje de finos, pues la prueba Proctor está limitada a los

suelos que pasen totalmente por la malla No 4, o que tengan un retenido máximo

del 10 % en esta malla, pero que pase (dicho retenido) totalmente por la malla

3/8”. Cuando el material tenga retenido en la malla 3/8” deberá determinarse la

humedad óptima y el peso volumétrico seco máximo con la prueba de Proctor

estándar.

El ensayo consiste en compactar una porción de suelo en un cilindro con volumen

conocido, haciéndose variar la humedad para obtener el punto de compactación

máxima en el cual se obtiene la humedad óptima de compactación. El ensayo

puede ser realizado en tres niveles de energía de compactación, conforme las

especificaciones de la obra: normal, intermedia y modificada.

El Grado de compactación de un terreno se expresa en porcentaje respecto al

ensayo Proctor; es decir, una compactación del 85% de Proctor Normal quiere

decir que se alcanza el 85% de la máxima densidad posible para ese terreno.3

En Colombia el ensayo de proctor modificado está regulado por la norma invias,

INV-E 142-13 “Relaciones de humedad – masa unitaria seca en los suelos

(ensayo modificado de compactación)” Estos métodos de ensayo se emplean para

determinar la relación entre la humedad y la masa unitaria de los suelos

compactados en un molde de un tamaño dado con un martillo de 4.54 Kg. (10 lb)

3 Rondón y Reyes. Pavimentos materiales, construcción y diseño. Bogotá, ECOE ediciones. 2015. Pág 341



21

que cae desde una altura de 457 mm (18"). Se han previsto cuatro procedimientos

alternativos en la siguiente forma:

Método A – Un molde de diámetro 101.6 mm (4"): material de un suelo que pasa el

tamiz de 4.75 mm (No.4) (Secciones 3 y 4)

Método B – Un molde de diámetro 152.4 mm (6"): material de suelo que pasa

tamiz de 4.75 mm (No.4) (Secciones 5 y 6).

Método C – Un molde de diámetro 101.6 mm (4"): material de suelo que pasa el

tamiz de 19.0 mm (3/4") (Secciones 7 y 8)

Método D – Un molde de diámetro 152.4 mm (6")4

Este ensayo nos permitirá conocer las siguientes propiedades del material.

Humedad óptima – Cuando la masa unitaria y las correspondientes

humedades para el suelo han sido determinadas y dibujadas para

conformar una curva, el contenido de humedad que corresponda al pico de

la curva, se llamará “humedad óptima” del suelo bajo la compactación

mencionada atrás.

Masa unitaria seca máxima – La masa unitaria del suelo secado al horno en

Kg./m³, correspondiente al contenido óptimo de humedad, bajo la

compactación mencionada arriba, se llamará “masa unitario seca máxima”.5

2.1.5. Ensayo de CBR de Laboratorio

Esta norma describe el procedimiento de ensayo para la determinación de un

índice de resistencia de los suelos denominado relación de soporte de California ,

que es muy conocido debido a su origen, como CBR (California Bearing Ratio).

Ensayo desarrollado por Standon y Porter en 1929. En Colombia este ensayo se

ejecuta siguiendo los lineamientos especificados por la norma Invias INV- E-148-

13 y basado en AASHTO 193-72. El ensayo determina como parámetro mecánico

el CBR, el cual es utilizado ampliamente en el diseño de pavimentos flexibles.

CBR se expresa en porcentaje. En el laboratorio, sobre muestras inalteradas de

suelo de subrasante o sobre suelos compactados previamente en un molde, un

4 • INV – E -142 – 2013.Relaciones de húmeda-Peso unitario seco en los suelos ensayo modificado de

compactación.



22

vástago de 19.40 cm2 de área penetra dicho suelo con una velocidad y presión

controlada. Durante la penetración se anota el desplazamiento que experimenta la

muestra ensayada y la carga necesaria para obtener dicho desplazamiento.

Matemáticamente, el CBR se expresa como la relación porcentual entra las

presiones necesarias para penetrar el vástago 0.1 (q 0.1) y 0.2 (q 0.2) pulgadas y el

desplazamiento de 0.1 y 0.2 pulgadas, dividido entre la misma relación que

experimenta una muestra patrón de material granular que es considerado como

bueno a excelente para conformar bases granulares no tratadas. Debido a que la

penetración del suelo en el ensayo se ejecuta distribuyendo una carga sobre un

vástago de área pequeña, este ensayo es usado por lo general en pavimentos

flexibles en donde la carga es casi de tipo puntual cuando se induce sobre la

subrasante.

Tabla 2. Valores de presión y penetración de la muestra patrón

Penetración (“) Presión (psi)

0.1 1000

0.2 1500

0.3 1900

0.4 2300

0.5 2600

Este método de ensayo está proyectado, aunque no limitado, para la evaluación

de la resistencia de materiales cohesivos que contengan tamaños máximos de

partículas de menos de 19 mm (3/4”).6

Ensayo destinado a estimar la capacidad de carga de un suelo bajo las ruedas, es

decir, su aptitud para soportar en una determinada estructura de a carretera las

cargas móviles que deberán recorrerla.7

6 INV - E - 148 – 2013. CBR. de suelos compactados en el laboratorio.

7 Rondón y Reyes. Pavimentos materiales, construcción y diseño. Bogotá, ECOE ediciones. 2015. Pág 348-

351



23

2.1.6. Lecho de secado

El lecho de secado es una de los tratamientos de mitigación ambiental para tratar

los residuos de la producción petrolera. Son una de las soluciones más adecuadas

para el desaguado de plantas de tratamiento debido a su simplicidad y bajo costo.

Para tratamiento de La deshidratación es una operación unitaria física (Mecánica)

utilizada para reducir el contenido de humedad generalmente de los lodos

digeridos. El lodo se deshidrata la mayor parte por drenaje a través de la arena, y

por evaporación desde la superficie expuesta al aire.

El contenido de humedad después de 15 días en condiciones favorables es del

orden del 60 %.

La operación del secado natural empieza con la descarga de las borras

almacenadas en un tanque, recipiente de proceso o similar. El lodo que sale es

ubicado junto al fondo, pues es aquel que presenta el más alto grado de

estabilización sin producir gases.

Como consecuencia de la presión hidrostática a la cual está sujeta en el fondo, el

agua intersticial del borras está saturada de gases. Cuando este borras es

transferido en un recipiente a la presión atmosférica, los gases tienen su

solubilidad disminuida desprendiéndose bajo la forma de burbujas.

Cuando las borras son distribuidas sobre una superficie permeable, arena por

ejemplo, la camada de agua relativamente clara que queda debajo del lodo drena

con facilidad, hasta que la parte concentrada de sólidos se deposita sobre la

arena. La mayor parte de esa agua puede así ser removida.

Pasado este breve período de drenaje el secado sigue a través de la evaporación.

Se forma una camada cada vez más pobre en agua, pasando a encoger no solo

verticalmente sino también en la horizontal.

El tiempo para el secado completo caría con las condiciones climáticas y

meteorológicas. Experiencias efectuadas en una planta de tratamiento de Río de

Janeiro demostraron que este tiempo puede ser considerado entre 15 y 25 días.

Incluyéndose el tiempo necesario para la remoción del lodo seco del lecho.



24

Figura 2. Diseño típico lecho de secado.8

El lecho de secado se construye como una piscina en concreto en la cual se

adicionan diferentes materiales filtrantes según una especificación establecida, y

materiales geosintéticos que mejoran el comportamiento del mismo.

Adicionalmente se debe dejar de tubería perforada en su fondo para drenar las

aguas que se infiltran, estas se deben disponer en espina de pescado y conducir a

la red de aguas aceitosas.

La granulometría recomendada que se debe implementar para la construcción del

material filtrante será:

Tabla 3. Granulometría para material filtrante del lecho de secado

GRANULOMETRIA PARA ARENAS

TAMIZ No % QUE PASA MEDIDO EN PESO

ARENA GRUESA ARENA FINA

3/8” 100 100

No 4 80-100 100

No 16 50-85 90-100

8 Diseño típico construcción en campos de petróleo. Ingeniería detallada estación Yenac ampliación a

70KBFPD.



25

No 30 25-60 60-90

No 50 20-30 30-60

No 100 0-15 5-30

No 200 - 0-15

Estos lechos de secado clasificaran el área como explosiva debido a los vapores

que se puedan emitir a la atmosfera.

El borras es aplicado en camadas de 20 hasta 30 cm de espesor. Más de esto

dificulta el secado. No se debe esparcir borras en un lecho que ya contenga una

carga anterior en fase de secado.

El secado del borras en los lechos como los descritos reduce la humedad de 90 a

95% hasta alrededor de 50 a 60% dependiendo la cantidad de agua que estas

contengan.9

2.1.7. Gravedad especifica en grados Baume o grados API

La temperatura de referencia para mediciones de gravedad especifica en la escala

Baumé o del american perolewm institute (API), es de 60 °F en lugar de 4°C, como

se había definido en un principio. Para recalcar la diferencia es frecuente que la

gravedad especifica Baume o API se exprese como gravedad especifica de la

siguiente manera.

Gravedad especifica 60°

60° F.

Esta notación indica que tanto el fluido de referencia (agua) como el aceite están a

60 °F. La gravedad específica del petróleo crudo de tipo distinto varía mucho en

función del sitio donde se localicen. Aquellas que provienen de las cuencas en el

oeste de estados Unidos varían entre 0.87 y 0.92, aproximadamente. Los campos

petrolíferos del este de dicho país producen aceite cuya gravedad específica es

9 HESS LOTHAR, Max, Acondicionamiento y desaguado - Filtraciones al vacío - Filtros prensa - Lechos de

secado. Companhia Estadual de tecnología de Saneamento Básico e de Defensa do Medio Ambiente (CETESB). Sao Pablo-Brasil, 2007. Capítulo 8



26

alrededor de 0.82. La de crudo mexicano está entre la más elevada, con 0.97.

Unos cuantos aceites asfalticos pesados tienen sg > 1.

La mayor parte de los aceites se destilan antes de usarlos, a fin de manejar la

calidad de la combustión. La gasolina, kerosenos y combustible resultante tienen

gravedades específicas que varían entre 0.67 y 0.98.

La ecuación que se emplea para calcular la gravedad especifica cuando se

conoce los grados aumenta es diferente, una es para fluidos más ligeros que el

agua y otra para los más pesados que ella.

𝑠𝑔 =145

(145 − 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑏𝑎ℎ𝑢𝑚𝑒

Con esto, para calcular los grados baume para una gravedad especifica dada, se

maneja la ecuación.

𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝐵𝑎𝑢𝑚𝑒 = 145 − 145

𝑠𝑔

Para líquidos más ligeros que el agua utilizamos esta otra.

𝑠𝑔 =140

130 + 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑏𝑎𝑢𝑚𝑒.

𝐺𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑏𝑎ℎ𝑢𝑚𝑒 = 140

𝑠𝑔− 130

Para líquidos más ligeros que el agua, el API desarrolló una escala un poco

diferente a partir de la escala bahume. Las formulas son

𝑠𝑔 =141.5

131.5 + 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑎𝑝𝑖

𝐺𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝐴𝑃𝐼 =141.5

131𝑠𝑔. 5− 131.51

Los grados API de los aceites varían de 10 a 80. Los de la mayoría de los aceites

estarán en el rango de 20 a 70 API, que corresponden a gravedades específicas



27

de 0.93 a 0.70. Observe que los aceites pesados tienen los valores más bajos de

grados API.

2.2 MARCO NORMATIVO.

Análisis granulométrico del agregado fino - NTC 77 – 2007.

Masas unitarias - NTC 92 – 1995.

Humedad natural NTC - 1495 – 2013.

Resistencia de agregados a la degradación por abrasión en el micro-deval. INVIAS E - 245 – 2013

Densidad y absorcion del agregado fino - Norma NTC 237 – 1995.

Gravedad específica y absorción de agregados finos. Norma I.N.V. E – 222

Contenido de vacíos en agregados finos no compactados. Norma I.N.V. E - 239 MÉTODO A.

Determinación del contenido orgánico de un suelo mediante el ensayo de pérdida por ignición. Norma I.N.V. E - 121 – 2013.

Equivalente de arena de suelos y agregados finos INV E - 133 – 2013.

Análisis por tamizado de los agregados finos y gruesos. NTC - 77 - 2007 Y NTC - 78 – 1995.

Humedad Natural NTC - 1495 – 2013.

Relaciones de húmeda-Peso unitario seco en los suelos ensayo modificado de compactación INV – E -142 – 2013.

CBR. de suelos compactados en el laboratorio INV - E - 148 – 2013.

Determinación del límite líquido, limite plástico e índice de plasticidad NTC- 4630 - 1999 método A.

Análisis por tamizado de los agregados finos y gruesos. NTC - 77 - 2007 y NTC - 78 – 1995.



28

Desgaste en la máquina de los ángeles. NTC 98 – 2012.

Humedad natural. NTC - 1495 - 2013

Relaciones humedad - peso unitario seco en los suelos ensayo modificado de compactación método C. INV - E - 142 – 2013.

Resolución No. 0631 17 Marzo 2015. Por el cual se establecen los párametros y los valores límites máximos permisibles en los vertimientos puntuales a cuerpos de agua superficiales y a los sistemas de alcantarillado público y se dictan otras disposiciones.

DECRETO 4741 DE 2005. Por el cual se reglamenta parcialmente la prevención y el manejo de los residuos o desechos peligrosos generados en el marco de la gestión integral.

DECRETO 1594 DE 1984. Por el cual se reglamenta parcialmente el Título I de la Ley 09 de 1979, así como el Capítulo II del Título VI - Parte III - Libro II y el Título III de la Parte III Libro I del Decreto 2811 de 1974 en cuanto a usos del agua y residuos líquidos.

2.3 MARCO GEOGRAFICO

La zona de extracción petróleo en los llanos orientales de Colombia, se caracteriza

por tener yacimientos de crudo pesado y liviano, con pozos que tienen en

ocasiones depósitos de gas.

Las vías de acceso en esta zona del país son escasas, teniendo asi que la

mayoría de carreteras que comunican los diferentes campos petroleros, son

elaboradas en afirmado ya que todas provienen de financiación privada por parte

de las operadoras. Podemos encontrar vías de primer y segundo orden que unen

las principales centros urbanos del departamento las cuales están pavimentadas y

se les realiza un mantenimiento permanente especialmente la Marginal de la

selva. Vía nacional de primer orden que comunica las ciudades de Villavicencio

con Yopal.



29

Figura 3. Vías pavimentadas departamento del Casanare

En este municipio podemos ver por varias situaciones socio económicas que la

infraestructura vial ha crecido en los últimos años beneficiando a los principales

centros urbanos sin embargo, no se ha desarrollado como se esperaría.

Las vías temporales que comunican los diferentes campos petroleros de la región

son principalmente de materiales de baja calidad o de préstamos laterales en

suelos en los que predominan las arcillas y la mayoría del año los niveles freáticos

están entre 1-4 metros de profundidad.

La topografía de la región predominan bastas extensiones de llano con un

cantidad elevada de afluentes hídricos. Por tal motivo los diseños de las vías se

realizan en terraplenes de material común seleccionado o de agregados pétreos

de canto rodado extraídos de los ríos cercanos a los lugares donde se desarrollan

los diferentes proyectos.

Por tal motivo se tiene un problema grave de contaminación por materiales

partículas en las épocas del año es donde la lluvia escasea y las diferentes obras

con los materiales anteriormente mencionados pierden humedad y por el transito

normal, empiezan a desprender sus partículas más finas al aire contaminando la

vegetación cercana a las vías y afectando a las personas que residen al lado de

estas carreteras.



30

Figura 4. Material particulado en vía temporal a campo petrolero

El área de interés de esta investigación se centra en los campos petrolíferos del

departamento del Casanare. Como se muestra a continuación.

Figura 5. Mapa de infraestructura petrolera Casanare ANH 2015



31

2.4 GLOSARIO

ACEITE CRUDO: Aceite que proviene de un yacimiento, después de separarle cualquier gas asociado y procesado en una refinería; a menudo se le conoce como crudo.

API: American Petroleum Institute.

BORRAS PETROLERAS: Residuos del proceso de extracción y producción del crudo en forma de sólidos sedimentables contenidos en el aceite.

CONTAMINACIÓN: presencia en el ambiente de una o más sustancias contaminadas que cause desequilibrio ecológico.

DUCTO: Tubería para el transporte de crudo o gas natural entre dos puntos geográficos, ya sea tierra adentro o tierra afuera.

GRADO API: Gravedad especifica del crudo según la clasificación API.

IMPACTO AMBIENTAL: es el efecto que produce la actividad humana sobre el medio ambiente. El concepto puede extenderse a los efectos de un fenómeno natural catastrófico. Técnicamente, es la alteración de la línea de base ambiental.

LODOS ACEITOSOS: desechos pastosos con contenido de hidrocarburos, como: solidos congénitos del crudo, hidrocarburos impregnados al suelo, sedimentos de sistemas de contención de hidrocarburos (Tanques, fosas, presas, etc)

LIXIVIADOS: líquido resultante de un proceso de percolación de un fluido a través de un sólido. El lixiviado generalmente arrastra gran cantidad de los compuestos presentes en el sólido que atraviesa.

RECICLADO: consiste en la reutilización, generalmente luego de cierto tratamiento, de un material del pavimento que ha cumplido su finalidad inicial, el cual se emplea para construir una nueva capa en la misma o en otra carretera.

RESIDUOS PELIGROSOS: Elementos o sustancias que se abandonan, botan, desechan, descartan o rechazan, que poseen características patógenas, toxicas, combustibles, inflamables, explosivas, radioactivas o volátiles; y los empaques y envases que los hayan contenido, como también lodos, cenizas y similares.

TRATAMIENTO: Transformación física o química de los residuos, con el objetivo de eliminar o minimizar riesgos a la salud y al medio ambiente.

YACIMIENTO PETROLÍFERO: es una acumulación natural de hidrocarburos en el subsuelo, contenidos en rocas porosas o fracturadas (roca almacén). Los hidrocarburos naturales, como el petróleo crudo y el gas natural, son retenidos por formaciones de rocas suprayacentes con baja permeabilidad.



32

3 METODOLOGÍA.

El trabajo de grado para su ejecución se basó en el seguimiento de unas

actividades ordenadas en diferentes fases, de tal manera que se asegurara una

correcta ejecución de las labores y así la obtención de los resultados esperados.

La metodología de desarrollo se encuentra dividida en tres grupos, el primero hace

parte de la obtención de los insumos de trabajo junto con su caracterización, la

segunda parte de la obtención de las mezclas y los ensayos de resistencia del

material y por ultimo hace referencia al análisis de los resultados.

3.1 Primer capítulo. Obtención de materias primas.

Este primer capítulo está enmarcado en la primera etapa del proyecto donde se

conseguirán todos los materiales necesarios para el trabajo los cuales costa de

muestras de borras traída desde campos petroleros de los llanos orientales más

específicamente de los campos ubicados cerca a Villanueva-Casanare.

3.2 Segundo capitulo. Deshidratación y secado del Borras.

El segundo capítulo estará encargado de procesar las borras, deshidratándolas y

evaporando sus volátiles decidiendo la forma más eficiente económicamente y

funcionalmente hablando. Llevando el proceso escogido a ejecución y tomando

registro detallado del proceso.

Este proceso se refiere a poner a drenar las borras en un lecho de secado a

escala para facilitar la evaporación de los volátiles y la infiltración del agua,

acelerando así su proceso de curado cuando se mezcle con el material granular.

En el Capítulo 4.1.1 se describe por que se eligió este método.

3.3 Tercer capítulo. Caracterización de los materiales.

Se tienen ensayos que caracterizan algunos parámetros físicos de las Borras,

como su densidad, su viscosidad, su gravedad API, punto de inflamación punto

de combustión. Siguiendo estándares de seguridad, teniendo en cuenta que el

Borras es un hidrocarburo sin procesar completamente y posee cadenas livianas

incluso gas que lo hacen explosivo e inflamable.

Por otro lado se realizara una caracterización de un recebo con un CBR no muy

alto determinando sus características físicas mediante ensayos de laboratorio

como Contenido de materia orgánica, contenido de humedad natural, análisis

granulométrico, resistencia al desgaste, equivalente de arena, densidad y



33

humedad óptima método proctor modificado, gravedad específica y ensayo CBR

de laboratorio.

Teniendo los datos de humedad óptima del material se procederá a realizar

mezclas entre Borras extraído del lecho de secado, agua y material granular

teniendo en cuenta que la sumatoria de agua y borras no superara el porcentaje

de humedad optima obtenida por el ensayo de proctor modificado.

3.4 Cuarto capítulo. Definición de proporciones para elaboración de la

mezcla Recebo más Borras

Se obtendrán los porcentajes para realizar las mezclas obteniendo el porcentaje

óptimo de borras mediante un ensayo de proctor modificado.

3.5 Quinto capítulo. Ensayos de CBR

En la segunda parte del desarrollo del trabajo, se realizará ensayo CBR de

laboratorio a las mezclas anteriormente formadas y se obtendrán los resultados

los cuales se compararan con el material compactado con la humedad óptima,

para establecer conclusiones.

3.6 Tratamiento especial borras

Debido a que las borras son un material cuya cadena de custodia es difícil de

manejar y que se tiene una cantidad de muestra limitada, se deberá tener en

cuenta que los testigos a realizar no podrán sobrepasar una cantidad calculada y

en común acuerdo con el tutor de este trabajo de grado.

Además al ser un desecho de los hidrocarburos sin tratamiento se debe tener

especial cuidado al manipular el material, siempre siguiendo las normas de

seguridad industrial, el uso de los EPP y la disposición adecuada de los residuos

que del trabajo con este material se desechen.



34

4 PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS

4.1 LECHO DE SECADO A ESCALA

4.1.1. Elección Sistema de Deshidratación y Desvolatilización de la Muestra

de Borras.

Para eliminar los volátiles que pudieran contener las muestras de borras y su

humedad se evaluaron varias posibilidades:

4.1.1.1 Primera: realizar una separación por medio de laboratorios de

hidrocarburos para eliminar el agua de la muestra y determinar las propiedades

químicas de la misma, esta posibilidad se descartó por la falta de equipos

necesarios para realizar esta actividad y los elevados costos de estos ensayos.

4.1.1.2 Segunda: mezclar las borras con el recebo en determinadas

proporciones y dejarlo en patios de curado en los cuales periódicamente se le

daría vueltas mecánicas para tratar de homogeneizar el secado de la mezcla.

Estos patios de secado deberían estar protegidos de la lluvia y para determinar si

el proceso estaba terminado se debería realizar pruebas de resistencia,

viscosidad, contenido de agua, a diferentes edades y llevar el registro para saber o

estimar la duración estimada del secado da las borras.

Esta opción requería de una logística grande, elevando los costos del proyecto,

además de un tiempo de trabajo incierto ya que nunca se habían hecho pruebas

de esta manera.

Por otro lado la eficiencia de este procedimiento no era completamente segura ya

que el agua que se evaporaría estaría dada por las condiciones climáticas y no

resolvería en plenitud el evaporamiento de los volátiles. Ya que se trabajaría a una

temperatura y presión ambiental, cuya temperatura en Bogotá no sobrepasa los

28°C. Por tal motivo la energía necesaria para curar la mezcla tardaría mucho

tiempo en completarse.

Además la evaporación de los hidrocarburos livianos está en función de la

temperatura y presión. No tanto del tiempo que por este método hubiera sido

extremadamente largo.



35

4.1.1.3 Tercera: Poner el borras mezclado con recebo o puro en el horno

110°C para acelerar el proceso de perdida de volátiles. Como la muestra de borras

corresponde a crudo sin procesar se tenían muchos riesgos inherentes, como lo

son contenidos de gases inflamables, cadenas de hidrocarburos livianas

combustibles además de un punto de inflamabilidad bajo lo cual podría producir

una explosión en los equipos o en las instalaciones. Por tal motivo y por temas de

seguridad en el laboratorio se descartó esta opción.

4.1.1.4 Cuarta: Realizar un lecho de secado a una escala menor que los

construidos en campo. Fue la elegida por varias razones. Es fácil y económico de

elaborar. Se podía llevar control diario del proceso. Nos ayudaríamos del aire de

un espacio techado de un tamaño pequeño, como también de la infiltración del

agua en el material granular para eliminar la humedad de la muestra acelerando el

proceso respecto de la opción. Es el tratamiento que hoy en día se maneja EN

campo para este tipo de residuos, por ende si el proyecto se logra llevar a mayor

escala seria como se encontrarían las borras y no se daría ningún otro proceso

adicional para utilizar las mismas.

4.1.2. Construcción del Lecho de Secado a Escala

El sistema elegido para la deshidratación y desvolatilización de las borras fue el

lecho de secado. Por tal motivo se decidió realizar una estructura a escala para

realizar el trabajo ya que por la cantidad de muestra no ameritaba un mayor

esfuerzo en construcción.

Por tal motivo se siguieron los pasos de diseño de un lecho de secado pero

asumiendo un volumen menor de borras a disponer.

Se calculó de esta forma unas dimensiones y con los factores conocidos del

borras para el diseño de lechos de secado en campo se procedió a calcular el

tiempo de secado en días.

Tabla 4. Memoria de cálculo tiempo de secado borras

Geometría de la cama de secado

Longitud 40 cm Ancho 28 cm Alto 20 cm



36

Área del lecho 1120 cm2 Profundidad de borra aplicada 2.5 cm

Volumen de borra aplicada 2800 cm3 Volumen del lecho 25200 cm3

Tiempo de secado requerido

H=Profundidad a la cual se aplica el lodo 2.5 cm

So=Aceites iniciales,% 81% %

a=Corrección de la tasa de evaporación para borras 0.85

E=Tasa de evaporación 0.5 cm/mes

b=fracción de agua absorbida por el lodo 0.22

R=Lluvia durante el mes húmedo 0 cm/mes

S1=Volumen después de td días % 85% %

S2=Contenido final % 98% %

td=Tiempo en el cual el drenado es significante 3 días

Tiempo de secado en días 25 días

Luego de calcular un tiempo óptimo de secado, se procedió a la construcción del

mismo. Para lo cual se tomaron en cuenta los diseños de campo y se adaptaron

dando una escala menor y utilizando materiales menos resistentes pues las

fuerzas y los esfuerzos a los que estaría sometido serían mucho menores.

Se eligió el plástico como material para la estructura del lecho de secado cuyas

paredes fueran transparentes para realizar un seguimiento del proceso de

infiltración del agua.

Para obtener el filtrado del agua se realizaron aberturas en el fondo del recipiente

las cuales reposaban sobre otro recipiente de plástico que sería el encargado de

almacenar la posible agua que se infiltrara hasta abajo, ya que solo se usaría una

vez este lecho la probabilidad que esto sucediera por experiencia seria baja.

𝑇 =30 ∗ 𝐻 ∗ 𝑆𝑜

𝑎𝐸 − 𝑏𝑅∗ (

1

𝑆1−

1

𝑆2) + 𝑡𝑑



37

Se utilizó una arena con una granulometría parecida a la recomendada para

lechos de secado trabajando con tamaños nominales inferiores al tamiz No 4.

Figura 6. Granulometría de la arena del lecho de secado

De la cual se tamizo con dividiendo el material en dos dimensiones diferentes, se

realizaron dos aberturas para la circulación del aire y se tapó para evitar que le

cayera agua a su superficie.

Figura 7. Lecho de secado recién construido

Después de tener las capas de material granular dispuestas en el recipiente se le

dio una pendiente pequeña al material, para ayudar con el drenado del agua. Así

mejorar la infiltración y acelerar el proceso de infiltración del agua contenida en la

muestra de borras.



38

Se dispuso una capa de 2.5cm de borras inmediatamente después de la capa más

fina de arena, se nivelo el recipiente del lecho de secado y por último se ubicó

encima del recipiente azul quien sería el encargado de recibir todos los lixiviados y

líquidos resultantes del infiltrado del borras.

Figura 8. Lecho de secado día 0. Un minuto después de adicionar las borras

Figura 9. Tapado del lecho de secado con dos aberturas laterales para circulación de aire

4.1.3. Evolución del lecho de secado

El día de construcción del lecho de secado fue el 9 de Agosto de 2015. Luego de

su elaboración se procedió a depositar la muestra de borras.



39

Para llevar un control de la infiltración y la evaporación de los volátiles se realizó

un registro fotográfico del mismo y a través de las paredes translucidas del

recipiente se iba observando los porcentajes de Borras que se infiltraban,

evaporaban como el porcentaje de agua infiltrada. Esto midiendo los espesores

visibles y calculando los porcentajes de infiltración.

A continuación se muestra una evolución general del lecho de secado.

Figura 10. Evolución del lecho de secado

Como se puede observar el funcionamiento del lecho de secado es evidente.

Siguiendo el procedimiento de control descrito se realizó una tabla con los valores

de porcentajes de Agua y Borras infiltrados respecto al volumen inicial.



40

Figura 11. Estado final lechos de secado. 7 de septiembre de 2015 Día 30

A continuación se muestran el resultado del control de registro fotográfico.

Tabla 5. Evolución del lecho de secado

Porcentaje agua perdida leho de secado

09-Ago 10-Ago 15-Ago 20-Ago 25-Ago 30-Ago 04-Sept

Borras 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2 2

Agua 0 0.4 0.6 0.68 0.75 0.8 0.8

Aceites livianos 0 0.2 0.4 0.48 0.55 0.6 0.6

% Borras superficial 100% 96% 92% 88% 84% 80% 80%

% Agua infiltrada 0% 17% 26% 31% 36% 40% 40%

% Borras infiltrado 0% 8% 17% 22% 26% 30% 30%

De los datos anteriormente relacionados se realizó la gráfica que muestra el

comportamiento de la infiltración en el lecho de secado a escala.



41

Tabla 6. Evolución infiltración lecho de secado

4.1.4. Retiro de borras del lecho de secado.

Se acordó retirar las borras del lecho de secado en el día 30. El proceso se realizó

por medio de succión con jeringas de la capa más superficial hasta donde la

viscosidad les borras más denso lo permitió. Se observó que el la capa que estaba

en contacto con el aire se había formado una nata con características plásticas

Figura 12. Debajo de la cual se tenía un material más líquido sin embargo con una

viscosidad aparente, mayor a la muestra inicialmente vertida en el lecho de

secado.

Figura 12. Retiro de borras luego de 30 días de secado

0%

20%

40%

60%

80%

100%

9/8 14/8 19/8 24/8 29/8 3/9

Po

rce

nta

je o

bse

rvab

le

Fecha

Evolución infiltración Lecho de secado

% Borras superficial

% Agua infiltrada

% Borras infiltrado



42

Este producto retirado con la jeringa se dispuso en un recipiente plástico de 2.5

litros para poder transportar la muestra del lugar donde se estaba secando hasta

el laboratorio como se aprecia en la Figura 13

Figura 13. Borras finales luego del secado

Adicionalmente la capa de arena fina que tenía contacto directo con las borras

formo una especie de costra la cual fue retirada con una espátula plástica, este

capa de arena de alrededor de 4mm se pudo observar que tenía propiedades

ligantes entre los gránulos. Esto se muestra en la Figura 14 a continuación:



43

Figura 14. Capa con propiedades plásticas encontrada en el lecho de secado.

La muestra de borras extraída al principio fue la utilizada para realizar las mezclas

con el recebo y con las que se realizó posteriormente los ensayos de CBR. Esto

debido a que el compuesto más viscoso y denso no tenía una cantidad

representativa como para realizar ensayos de proctor y CBR los cuales requieren

una gran cantidad de material respecto al obtenido en el lecho de secado a escala.

4.2 CARACTERIZACION DEL BORRAS

4.2.1. Obtención Borras

Las borras fueron suministradas por una operadora de petróleo que se ubica sus

trabajos en el departamento de Casanare. Esta muestra tenía un volumen

aproximado de 1 gal, la cual fue extraída del tanque conocido como

DECANTADOR.



44

Figura 15. Galón de borras

El recipiente cumple con todas las exigencias de seguridad industrial y estaba

debidamente sellado. La muestra fue enviada desde campo en transporte

especializado y fue entregada en las instalaciones de Bogotá. En las cuales se

transfirió la custodia y se llevaron al laboratorio para iniciar pruebas.

4.2.2. Clasificación de las borras como residuo o desecho peligroso.

Según el decreto • DECRETO 4741 DE 2005. Por el cual se reglamenta

parcialmente la prevención y el manejo de los residuos o desechos peligrosos

generados en el marco de la gestión integral. En su capítulo II. Artículo 5º.

CLASIFICACIÓN DE LOS RESIDUOS O DESECHOS PELIGROSOS. Los

residuos o desechos incluidos en el Anexo I y Anexo II del presente decreto se

considerarán peligrosos a menos que no presenten ninguna de las características

de peligrosidad descritas en el Anexo III.

El generador podrá demostrar ante la autoridad ambiental que sus residuos no

presentan ninguna característica de peligrosidad, para lo cual deberá efectuar la

caracterización físico-química de sus residuos o desechos. Para tal efecto, el

generador podrá proponer a la autoridad ambiental los análisis de caracterización

de peligrosidad a realizar, sobre la base del conocimiento de sus residuos y de los

procesos que los generan, sin perjuicio de lo cual, la autoridad ambiental podrá

exigir análisis adicionales o diferentes a los propuestos por el generador.



45

Al remitirse al ANEXO I. LISTA DE RESIDUOS O DESECHOS PELIGROSOS

POR PROCESOS O ACTIVIDADES. Encontramos que las borras al ser un

residuo industrial del proceso de obtención separación y venta de hidrocarburos, lo

podemos clasificar como:

Y9. Mezclas y emulsiones de desechos de aceite y agua o de hidrocarburos y

agua.10

4.2.3. Propiedades físicas de las borras.

Para conocer las propiedades del borras contamos con el apoyo de la empresa

operadora en el campo para suministrarnos los datos de los laboratorios

desarrollados en la muestras de borras. Estas propiedades físicas se encuentran

relacionadas a continuación.

Tabla 7. Análisis físico de las Borras11

ANALISIS FISICO DEL BORRAS

TEST NAME AND NUMBER UNIT RESULT

Gravity API @ 60 ºF (seco) ASTM D-1298

22,3

Water and sediment ASTM D-4007 vol% 1,0

Sulphur X-ray ASTM D-4294 wt% 1,82

Flash Point ASTM D-92 ºC 81

Vanadium ASTM D-

5863A ppm 358

Nickel ASTM D-

5863A ppm 74

Ash ASTM D-482 wt% 0,064

Pour Point ASTM D-97 ºC -18

Salt content ASTM D-3230 PTB 6,8

Viscosity @ 100ºF ASTM D-445 cP 435,3






Distillation ASTM D-86

IBP

ºF 200

5%

370

10

DECRETO 4741 DE 2005. Por el cual se reglamenta parcialmente la prevención y el manejo de los residuos o desechos peligrosos generados en el marco de la gestión integral. En su capítulo II. Artículo 5º 11

Caracterización entregada junto con la muestra de borras. Ver anexos.



46

10%

448

20%

570

30%

640

40%

680

También se tiene un contenido de agua de las borras ensayo SBW.

Tabla 8. Contenido de agua Borras

SOLIDOS

AGUA

LIBRE

PARAFINA

SOLIDOS CRUDO

SIN TEMPERATURA 2 10 80 10

CON TEMPERATURA 3 10 80 10

CON EXCESO DE QUIMICA 3 12 80 10

4.2.4. Borras después del lecho de secado. Densidad, gravedad específica y

grado API.

Luego de retirar las borras del lecho de secado, estas se llevaron al laboratorio y

se les realizo una prueba para determinar su densidad. Su gravedad específica y

grado API. Por falta de recursos económicos y tecnológicos no se pudieron

realizar según la norma ASTM D-1298. Por tal motivo se realizó un muestreo

representativo de una prueba para hallar la densidad del material la cual consistió

en tomar varias probetas de 100 ml, llenarlas con borras y determinar su masa en

una balanza con precisión de 0.1 g. Se utilizaron cinco probetas a las cuales se les

realizo el procedimiento tres veces a cada una. Los datos se muestran en la Tabla

9. A continuación se muestra el procedimiento realizado en el laboratorio.



47

Figura 16. Procedimiento para determinación de gravedad específica y gravedad API despues del lecho de secado.

El procedimiento anterior se realizó varias veces, obteniendo el promedio de los

datos obtuvimos una densidad de trabajo, una gravedad específica y por medio de

cálculos hallamos el grado API del borras luego de estar 30 días en el lecho de

secado. Al graficar los datos pudimos obtener un error aceptable para dicha

información la cual fue la base para la comparación de los datos iniciales y el

cálculo de la cantidad de borras empleada para la mezcla con el recebo.



48

Tabla 9. Determinación de la gravedad específica, grado API muestra luego del lecho de secado

Reci

pien

te

Mue

stra

Codi

go

Peso

reci

pien

te

Vol

Reci

p. +

borr

as

Mas

a

borr

as

T (°

C)

GS

Agu

a

Des

tila

da

Den

sida

d

Borr

as

Gra

veda

d

espe

cifi

ca

Borr

as

° API

1 1 1 141.4 100 235.00 93.6 23.6 0.99745 0.936 0.9384 19.3

2 1 2 142.4 100 236.60 94.2 23.6 0.99745 0.942 0.9444 18.3

3 1 3 141.5 100 235.50 94.0 23.6 0.99745 0.94 0.9424 18.6

4 1 4 142.2 100 236.00 93.8 23.6 0.99745 0.938 0.9404 19.0

5 1 5 141.8 100 236.00 94.2 23.6 0.99745 0.942 0.9444 18.3

1 2 6 141.4 100 235.10 93.7 23.8 0.99744 0.937 0.9394 19.1

2 2 7 142.4 100 236.60 94.2 23.8 0.99744 0.942 0.9444 18.3

3 2 8 141.5 100 235.60 94.1 23.8 0.99744 0.941 0.9434 18.5

4 2 9 142.2 100 235.90 93.7 23.8 0.99744 0.937 0.9394 19.1

5 2 10 141.8 100 236.00 94.2 23.8 0.99744 0.942 0.9444 18.3

1 3 11 141.4 100 235.00 93.6 23.6 0.99745 0.936 0.9384 19.3

2 3 12 142.4 100 236.70 94.3 23.6 0.99745 0.943 0.9454 18.2

3 3 13 141.5 100 235.60 94.1 23.6 0.99745 0.941 0.9434 18.5

4 3 14 142.2 100 235.80 93.6 23.6 0.99745 0.936 0.9384 19.3

5 3 15 141.8 100 236.20 94.4 23.6 0.99745 0.944 0.9464 18.0

Promedio 0.940 0.942 18.673

Calculo de gravedad especifica y gravedad API Borras despues del lecho de secado



49

Figura 17. Gráfica Grado API y Gravedad Especifica Borras



50

Según los datos después de secar las borras en el lecho de secado se tienen los

siguientes resultados:

Tabla 10. Resultados Densidad, GS y grado API Borras

Propiedad Valor Error

Densidad 0.940 g/ml +/- 0.0016 g/ml

Gravedad especifica 0.942 g/ml +/- 0.0009 g/ml

Grado API 18.7 ° API +/- 1.25 °API

4.3 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL GRANULAR.

4.3.1. Obtención del material granular.

Para la obtención del recebo, se decidió conseguir un material de baja capacidad

portante, precisamente para poder ver si en combinación con el borras existe una

mejoría de sus propiedades, el material granular tipo recebo común es

suministrado por el deposito “gran surtidor de materiales” que se encuentra

ubicado en la Calle 80 # 63-17.

Figura 18. Recebo puesto en bandejas para su secado natural.



51

En total se adquirieron 400 Kg de Recebo común, cantidad necesaria para realizar

los ensayos de caracterización del material y los ensayos de proctor con agua, con

borras además de los CBR de las mezclas del agregado pétreo con la humedad

óptima y el porcentaje óptimo de borras.

4.3.2. Ensayos de Laboratorio Material Granular.

4.3.2.1 ANÁLISIS POR TAMIZADO DE LOS AGREGADOS FINOS Y

GRUESOS NTC - 77 - 2007 Y NTC - 78 – 1995. (Ver anexo 2).

4.3.2.2 HUMEDAD NATURAL NTC - 1495 - 2013. (Ver anexo 2).

4.3.2.3 DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO ORGÁNICO DE UN SUELO

MEDIANTE EL ENSAYO DE PÉRDIDA POR IGNICIÓN NORMA I.N.V. E - 121 –

2013 (Ver anexo 2).

4.3.2.4 DETERMINACION DEL LIMITE LIQUIDO, LIMITE PLASTICO E

INDICE DE PLASTICIDAD NTC- 4630 - 1999 METODO A (Ver Anexo 2).

4.3.2.5 DESGASTE EN LA MAQUINA DE LOS ANGELES NTC 98 – 2012

(Ver anexo 2).

Tabla 11. Resumen laboratorios caracterización recebo

Ensayo Norma Resultado

Humedad natural NTC 1495-13 13.66%

Contenido orgánico INV E 121-13 3.9%

Limite líquido NTC 4630-99 34

Limite plástico NTC 4630-99 23

Índice de plasticidad NTC 4630-99 11



52

Clasificación USC NTC 4630-99 GC

Clasificación AASHTO NTC 4630-99 A-2-8

Porcentaje retenido tamiz No 40 NTC 4630-99 63.86%

Perdida por lavado NTC 77-07 25%

Gradación NTC 78-95 Ver Anexo 3

Desgaste maquina ángeles NTC 98-2012 39.79%

Equivalente de arena INV E – 133 -13 17%

53

4.3.2.6 RELACIONES HUMEDAD - PESO UNITARIO SECO EN LOS SUELOS ENSAYO MODIFICADO DE

COMPACTACIÓN INV - E - 142 – 2013.

Este método de ensayo se emplea para determinar la relación entre la humedad y la masa unitaria de los suelos compactos. Tabla 12. Resultado ensayo Proctor modificado recebo más agua

Método usado C Martillo utilizado 10 lb Método preparación muestra Vía Húmeda

Punto de Compactación # 1 2 3 4

No De Golpes 56 56 56 56

Masa Inicial Muestra Húmeda por Punto (g) 5000 5000 5000 5000

Masa Muestra Húmeda + Molde + Placa Base (g) 10811 11099 11451 11395.5

Masa Molde + Placa Base (g) 7038 7038 7038 7038

Masa Muestra Húmeda (g) 3773 4061 4413 4357.5

Volumen del Molde (m3) 0.002104 0.002104 0.002104 0.002104

Densidad Húmeda (kg/m3) 1,793.25 1,930.13 2,097.43 2,071.06

Masa Platón + Muestra Húmeda (g) 525 682 482.5 604.5

Masa Platón + Muestra Seca (g) 492.96 620 424.5 518

Masa del Agua (g) 32.04 62 58 86.5

Masa del Platón (g) - - - -

Masa Material Seco (g) 492.96 620 424.5 518

Contenido de Agua (%) 6.5 10 13.66 16.7

Peso Unitario Seco (kg/m3) 1,683.8 1,754.7 1,845.3 1,774.7

Peso Unitario Seco (kN/m3) 16.51 17.21 18.1 17.4

Peso Unitario Seco (lbf/pie3) 105.12 109.54 115.2 110.79

Humedad de Saturación (%)



54

Figura 19. Resultado Proctor modificado Recebo más agua

55

4.3.2.7 RELACION PERDIDA DE BORRAS VS DENSIDAD SECA MAS BORRAS RESTANTES. INV – E 142

– 2013.

Este ensayo se hizo particularmente para conocer el porcentaje de borras volatilizado bajo los parámetros del INV –

E 142 – 2013.

Tabla 13. Resultado proctor recebo más borras

Método usado C Martillo utilizado 10 lb Método preparación muestra Vía Húmeda

Punto de Compactación # 1 2 3 4

No De Golpes 56 56 56 56

Masa Inicial Muestra Húmeda por Punto (g) 5000 5000 5000 5000

Masa Muestra Húmeda + Molde + Placa Base (g) 10116 10275 10440 10327.5

Masa Molde + Placa Base (g) 6300 6300 6300 6300

Masa Muestra Húmeda (g) 3816 3975 4140 4027.5

Volumen del Molde (m3) 0.002125 0.002125 0.002125 0.002125

Densidad Húmeda (kg/m3) 1,795.76 1,870.59 1,948.24 1,895.29

Masa Platón + Muestra Húmeda (g) 394.29 395.5 279.1 557.5

Masa Platón + Muestra Seca (g) 387.7 387.7 271.9 535.1

Masa del Agua (g) 6.59 7.8 7.2 22.4

Masa del Platón (g) - - - -

Masa Material Seco (g) 387.7 387.7 271.9 535.1

Contenido de Agua (%) 1.7 2.01 2.65 4.19

Peso Unitario Seco (kg/m3) 1,765.7 1,833.7 1,898.0 1,819.1

Peso Unitario Seco (kN/m3) 17.32 17.98 18.61 17.84

Peso Unitario Seco (lbf/pie3) 110.23 114.47 118.49 113.57

Humedad de Saturación (%)



56

Figura 20. Resultado proctor Recebo más borras vs Porcentaje volatizado de borras



57

4.3.2.8 RELACIONES HUMEDAD - PESO UNITARIO SECO EN LOS SUELOS ENSAYO MODIFICADO DE

COMPACTACIÓN INV - E - 142 – 2013 – (Porcentaje óptimo de borras).

Figura 21. Resultado porcentaje óptimo de Borras

58

HUM EDAD PENETRACION C. B. R. CORREG. a 0.1" C. B. R. CORREG. a 0.2"15.50 % 17.79 % 20.67 %

40.7 22.77 4.6

46.69 22.33 4.09

516.3 282 94

0.5 12.7 4202 1400.7 1602 534 295 98.3

0.475 12.065 4057 1352.3 1549

483.7 263 87.7

0.45 11.43 3900 1300 1503 501 276 92

0.425 10.795 3729 1243 1451

448.7 249 83

0.4 10.16 3558 1186 1392 464 256 85.3

0.375 9.525 3394 1131.3 1346

420.3 230 76.7

0.35 8.89 3217 1072.3 1307 435.7 236 78.7

0.325 8.255 3033 1011 1261

391.7 210 70

0.3 7.62 2849 949.7 1221 407 223 74.3

0.275 6.985 2666 888.7 1175

354.7 197 65.7

0.25 6.35 2482 827.3 1123 374.3 204 68

0.225 5.715 2298 766 1064

315 177 59

0.2 5.08 2101 700.3 1005 335 184 61.3

0.175 4.445 1904 634.7 945

262.7 151 50.3

0.15 3.81 1700 566.7 873 291 164 54.7

0.125 3.175 1497 499 788

170.7 118 39.3

0.1 2.54 1221 407 683 227.7 138 46

0.075 1.905 860 286.7 512

26.3 46 15.3

0.05 1.27 512 170.7 269 89.7 92 30.7

0.025 0.635 177 59 79

Carga

lb

Esfuerzo

psi

0 0 0 0 0 0 0 0

PENETRACION

(in) (mm)

Carga

lb

Esfuerzo

psi

Carga

lb

Esfuerzo

psi

Lectura Expansión Día 4 (0.01 mm) 50 67 91

Expansión Total (%)



Lectura Expansión Inicial (0.01mm) 0 0 0


Humedad % 13.13 12.79 12.67

Densidad Seca (kg/m3) 1854 1746 1576

M asa M uestra Humeda (g) 4446.5 4174.5 3753.5

Volumen M uestra (cm3) 0.075 0.075 0.075

M asa M uestra Humeda + M olde (g) 12355 12021 11920

M asa M olde (g) 7909 7846 8166

Prueba 1 2 3

No. de Golpes por Capa 65 30 10

4.3.2.9 C.B.R. DE SUELOS COMPACTADOS EN EL LABORATORIO INV -

E - 148 – 2013 (Recebo más agua).

Tabla 14. Resultado CBR Recebo más agua

59

Figura 22. Grafica CBR recebo más agua



60

Figura 23. Resultado ensayo CBR, Recebo más agua

61

785.7 788 262.7

HUM EDAD PENETRACION C. B. R. CORREG. a 0.1" C. B. R. CORREG. a 0.2"

45.77 23.43 9.4

54 26.84 10.51

0.5 12.7 4671 1557 2357

728.7 742 247.3

0.475 12.065 4527 1509 2265 755 768 256

0.45 11.43 4363 1454.3 2186

674 696 232

0.425 10.795 4218 1406 2101 700.3 716 238.7

0.4 10.16 3967 1322.3 2022

610.7 650 216.7

0.375 9.525 3723 1241 1924 641.3 676 225.3

0.35 8.89 3585 1195 1832

549.3 597 199

0.325 8.255 3367 1122.3 1753 584.3 624 208

0.3 7.62 3122 1040.7 1648

477 538 179.3

0.275 6.985 2904 968 1536 512 565 188.3

0.25 6.35 2779 926.3 1431

402.7 473 157.7

0.225 5.715 2668 889.3 1320 440 506 168.7

0.2 5.08 2430 810 1208

330.3 387 129

0.175 4.445 2279 759.7 1103 367.7 433 144.3

0.15 3.81 2008 669.3 991

234.3 282 94

0.125 3.175 1657 552.3 860 286.7 341 113.7

0.1 2.54 1373 457.7 703

103 131 43.7

0.075 1.905 1057 352.3 525 175 210 70

0.05 1.27 700 233.3 309

0 0 0

0.025 0.635 327 109 105 35 53 17.7

0 0 0 0 0

PENETRACION

(in) (mm)

Carga

lb

Esfuerzo

psi

Carga

lb

Esfuerzo

psi

Carga

lb

Esfuerzo

psi

4.3.2.10 C.B.R. DE SUELOS COMPACTADOS EN EL LABORATORIO INV -

E - 148 – 2013 (Recebo + Borras).

Tabla 15. Resultado CBR Recebo más Borras

62

Figura 24. Grafica CBR, recebo más Borras



63

Figura 25. Resultado CBR, Recebo más Borras

64

5 ANALISIS DE RESULTADOS.

5.1 COMPARACIÓN HUMEDAD OPTIMA - PORCENTAJE OPTIMO DE

BORRAS

En la siguiente grafica se observa la comparación de las curvas optimas de

humectación del material granular con agua y con recebo

Figura 26. Comparación humectación optimas Borras-Agua

Para llegar a la humedad ideal del material granular, con el borras se necesita

menos cantidad que con el agua, esto posiblemente se deba a sus cadenas de

hidrocarburos o composicion quimica.

Aunque la densidad con el borras es menor se puede observar según las pruebas

de CBR que esto no compromete la capacidad portante del material granural. Esto

supondria un beneficio al requerir menos materia prima al realizar estructuras

viales con material común mezclado con borras, ya que la cantidad de agregado

seria menor por m3, y se eliminaria el uso del agua que en campo representa

grandes costos por el transporte de este liquido como un impacto ambiental al ser

en la mayoria captada de puntos autorizados por la ANLA que representan

disminuciones de caudal aguas debajo de los cauces.

Cantidades de agua que son considerables ya que se necesita para humectar el

material granular hasta llevarlo a su humedad optima antes de la compactación y

luego irrigación en verano para evitar la contaminación por material particulado.



65

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

Esfu

erz

o (

PSI

)

Penetración (in)

Curva Esfuerzo vs Penetración.

65 GOLPES CB

30 GOLPES CB

10 GOLPES CB

65 GOLPES SB

30 GOLPES SB

10 GOLPES SB

5.2 COMPARACIÓN RESULTADOS CBR DE LABORATORIO

Como se aprecia en la curva de esfuerzo Vs penetración, la capacidad del material

tipo recebo aumenta su CBR cuando se utiliza en conjunto con el borras, ya que si

comparamos el CBR obtenido del recebo sin borras a un porcentaje de

compactación del 95% este valor es 21%, en cambio cuando se mezcla con el

borras, el CBR obtenido con una compactación del 95% es 28 %, es importante

recalcar que el borras tuvo un tiempo en el lecho de secado, de 30 días antes de

ser utilizado en los ensayos de laboratorio.

Figura 27. Comparación Esfuerzo vs penetración muestra Con borras (CB) y sin borras (SB)



66

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%

180%

200%

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

% d

e in

cre

me

nto

.

Penetración (in).

Incremento en % del esfuerzo.

65 GOLPES CB

65 GOLPES SB

La tendencia que presenta el recebo en conjunto con el borras es en aumentar la

capacidad portante, porque si se observa la gráfica del incremento en % Figura

28, Figura 29 y Figura 30; del esfuerzo en el ensayo de CBR a sesenta y cinco

golpes, podemos apreciar que existe un incremento inicial alto (185%) pero a

medida que la carga está en aumento tiende a estabilizarse el esfuerzo en un

porcentaje de aumento promedio de 119%.

El borras presenta una propiedad de mejoramiento, ya que al comparar el

porcentaje se incremento del esfuerzo con apenas 10 golpes en la muestra se

puede apreciar que existe un incremento del 260% con respecto a la muestra sin

borras, permitiéndonos así obtener mayores resistencias del esfuerzo según

ensayo CBR de laboratorio.

Figura 28. Incremento de CBR muestra con borras (CB) y sin borras (SB) 65 golpes



67

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

% d

e in

cre

me

nto

.

Penetración (in).


30 GOLPES CB

30 GOLPES SB

0%

50%

100%

150%

200%

250%

300%

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

% d

e in

cre

me

nto

.

Penetración (in).


10 GOLPES SB

10 GOLPES SB


golpes


golpes



68

El borras nos permite mejorar la capacidad de esfuerzos del recebo, ya que para

conseguir la misma penetración en un recebo humectado con agua, se debe

aplicar una mayor carga. A continuación se muestran graficas comparativas entre

la carga y penetración de la mezcla con borras y sin borras a los diferentes

cantidades de energia aplicada según ensayo CBR de laboratorio.

Figura 31. Comparación esfuerzo-penetración, muestra con borras (CB) y sin borras (SB) 65 golpes

0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

4,500

5,000

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

Car

ga.

lb

Penetración (in).

Carga Vs Penetración.

65 GOLPES CB

65 GOLPES SB



69


0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

Car

ga.

lb

Penetración (in).


30 GOLPES CB

30 GOLPES SB



70


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

Car

ga.

lb

Penetración (in).


10 GOLPES CB

10 GOLPES SB



71

6 CONCLUSIONES

Las mezcla entre las borras y el recebo presenta una propiedad

impermeable, evitando que ingrese el agua a sobresaturar el material,

además una perdida al horno 60°C de alrededor del 2.3% de masa.

Propiedades que permite atrapar los finos del recebo, evitando que este

material se levante a la atmosfera, ayudando a disminuir la contaminación

por material particulado en las vías en afirmado y proporcionando una

mayor duración de las vías temporales.

Se le realizaron los ensayos de caracterización al material granular recebo,

Obteniendo la caracterización de un recebo con buenas características en

su tipo, con alto contenido de finos, una resistencia CBR del 21% a una

compactación del 95% respecto a la húmeda optima del proctor modificado

la cual fue del 13.8%. Es un material triturado, IP 11, equivalente de arena

17% y clasificada como una Grava Arcillosa GC.

El lecho de secado permitió volatilizar la mezcla de forma natural, bajo

condiciones controladas, lo que facilito obtener unas borras mucho más

homogéneas y compactas, logrando el estudio ante la acción de esfuerzos.

Además se evidencio que la densidad de la muestra disminuyo teniendo un

material más viscoso, una emulsión con menos cantidad de agua y un

grado API de 18.67 menor al inicial 22.3.

Empleando el ensayo de laboratorio relaciones humedad - peso unitario

seco en los suelos, ensayo modificado de compactación, se logró

determinar que el porcentaje óptimo de borras es del 9.4 %, si comparamos

el mismo resultado para el recebo humectado con agua encontramos que la

humedad óptima es del 13.8%, lo que lleva a pensar que por su

composición química, se requiere menor cantidad de borras para obtener

los mismos o incluso mejores resultados que con el agua.

Se logró evidenciar que el borras permite mejorar la capacidad del suelo

para soportar los esfuerzos cortantes a los que se encuentra sometida la

muestra, ya que el CBR obtenido del recebo sin borras fue de 21% a una

compactación del 95%, en cambio el recebo más borras fue del 28% al

mismo porcentaje de compactación.



72

En la evaluación de diferentes parámetros de resistencia fue posible

encontrar que el borras incremento el porcentaje de CBR a una

compactación del 95% en un 7% comparándola con el CBR del recebo sin

borras y del 3% cuando la energía de compactación es del 100%.

Según los ensayos de proctor se podría optimizar los materiales para la

construcción de vías temporales en las vías temporales minimizando el uso

de agua, reutilizando un desecho como son las borras. Necesitando menor

cantidad de material granular y respecto a la humedad optima un mayor

porcentaje de humectación sin comprometer la resistencia de la estructura

vial. Siempre y cuando se respeten las normativas ambientales vigentes

nacionales e internacionales.



73

7 RECOMENDACIONES.

El tiempo de secado de la mezcla una vez vertida en el lecho de secado es

aproximadamente un mes, sin embargo, este puede variar de acuerdo a la

capa de Borras, la temperatura ambiental, el flujo de aire, la humedad

atmosférica entre otros factores externos.

Se observó que el borras presenta una propiedad impermeable, ya que al

momento de extraer del núcleo la muestra en el laboratorio de CBR luego

de estar cuatro días sumergida en agua, la mezcla se encontraba seca, lo

que abre la puerta para el estudio de este material en combinación de

suelos expansivos.

Los materiales granulares con los que se va a mezclar el borras del lecho

de secado deben tener un humedad cercana al 0%, por tal motivo si se

observa que la humedad natural es representativa se deberá poner a secar.

Por tal motivo se recomienda realizar estas actividades en época de

verano.

Cuando un material esta húmedo, se le adicionan borras por la diferencia

de densidades, la insolubilidad del agua y el aceite no se mezclaran y al

realizar la compactación de la mezcla realizada. Esta generara mayor

residuos lixiviados de agua contaminada con aceite.

La relación de Borras – recebo, se debe obtener por medio de un ensayo

de proctor modificado. Ya que este porcentaje cambiara según las

características del borras y del material granular utilizado.

Cuando las borras presenten una viscosidad baja se recomienda su uso

para humectación de capas de rasante, ya que mejora su capacidad

portante y elimina la utilización del agua en el proceso constructivo.

Al momento de realizar los ensayos de CBR se pudo apreciar la exudación

de lixiviados y trazas de aceites en la piscina de inmersión de los testigos,

se recomienda adicionar a la mezcla un aditivo que controle este lixiviado,

actualmente en el mercado se está investigando en el tema, aditivo no

propio del estudio de esta tesis.



74

En campo, las borras podría ser usado como agente humectante de los

materiales granulares, material común de préstamo o material de cantera.

Lo que permitiría ahorro de tiempo en el desplazamiento de carro tanques

hasta el punto de captación hídrico, reduciendo costos de operación y

costos de disposición ambiental.

De las borras que queda en el lecho de secado, en la capa que posee

contacto directo con la arena, se observó que se obtuvo un material más

sólido y viscoso, este podría utilizarse para ligar materiales mucho más

gruesos y sin arcillas en su composición. Se deberán estudiar dichas

propiedades en un nuevo proyecto.

Según los ensayos realizados en este proyecto de grado a la mezcla entre

material granular y recebo, está actualmente es ambientalmente peligrosa

ya que al momento de dejar el testigo en inmersión se evidencio iridiscencia

en el agua. Por tal motivo se recomienda la utilización de un aditivo que

encapsule los posibles lixiviados, actualmente se tiene conocimiento de

investigaciones sobre productos que cumplan esta función pero se

encuentran en estudio.



75

BIBLIOGRAFIA.

HESS LOTHAR, Max, Acondicionamiento y desaguado - Filtraciones al

vacio - Filtros prensa - Lechos de secado. Companhia Estadual de

tecnología de Saneamento Básico e de Defensa do Medio Ambiente

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Suelos: Ensayo para determinar el límite plástico y el índice de plasticidad.

Bogotá: ICONTEC, 1999. NTC 1493

INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN.

Suelos: Ensayo para determinar el límite líquido. Bogotá: ICONTEC, 1999.

NTC 1494.

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Norma ASTM

D4007-08. Método para determinar agua y sedimentos en petróleo



76

RELACIONES HUMEDAD - PESO UNITARIO SECO EN LOS SUELOS -

ENSAYO MODIFICADO DE COMPACTACIÓN INV - E - 142 – 2013

EQUIVALENTE DE ARENA DE SUELOS Y AGREGADOS FINOS INV E -

133 – 2013

RELACIONES HUMEDAD - PESO UNITARIO SECO EN LOS SUELOS -

ENSAYO MODIFICADO DE COMPACTACIÓN MÉTODO C INV - E - 142 –

2013

DESGASTE EN LA MAQUINA DE LOS ANGELES NTC 98 – 2012

DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO ORGÁNICO DE UN SUELO

MEDIANTE EL ENSAYO DE PÉRDIDA POR IGNICIÓN - NORMA I.N.V. E -

121 – 2013

DECRETO 4741 DE 2005. Por el cual se reglamenta parcialmente la prevención y el manejo de los residuos o desechos peligrosos generados en el marco de la gestión integral.

DECRETO 1594 DE 1984. Por el cual se reglamenta parcialmente el Título I de la Ley 09 de 1979, así como el Capítulo II del Título VI - Parte III - Libro II y el Título III de la Parte III Libro I del Decreto 2811 de 1974 en cuanto a usos del agua y residuos líquidos.



77

ANEXOS

1. Ensayos de laboratorio caracterización del material granular fino usado en

el lecho de secado.

2. Caracterización de las borras.

3. Ensayos de laboratorio caracterización del material granular recebo usado

en la mezcla con el borras.

4. Ensayos de CBR de laboratorio a muestra recebo con humedad óptima y

recebo con borras.

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