Estudio experimental de la fluidización inducida por la percolación de partículas finas en lechos de partículas gruesas a diferentes grados de vacío

Abstract

Un flujo piroclástico es una mezcla densa de partículas y gas que se genera en erupciones volcánicas y cuyo colapso se destaca por tener alcances de decenas de kilómetros a velocidades de decenas de metros por segundo. Un ejemplo de esto fue lo ocurrido el 18 de mayo de 1980 en el monte St. Helen, en donde la actividad volcánica generó un flujo piroclástico que alcanzó velocidades de ~9-13 m/s, cubriendo una distancia de ~6-7 km en un terreno cuya pendiente es < 4°-6°. Estudios experimentales de rompimiento de presa representan estos flujos piroclásticos, en donde una columna de partículas finas, en representación del material piroclástico, colapsa generando un flujo granular que fluye a lo largo de un canal rectangular (Chedeville, 2014). En el fondo del canal, inicialmente liso, se agregó un lecho de esferas de distintos diámetros y se observó que la distancia de asentamiento de las partículas aumentó casi al doble que en el caso con fondo liso. A lo largo de la base del canal con lecho, sensores de presión registraron mayores aumentos de presión de poros al pasar el flujo granular, que es una causante de fluidización. Este aumento de presión se acredita en parte a partículas finas que van percolando en el lecho a medida que ocurre el flujo. Se entiende por fluidización al sostenimiento del peso de una partícula, o de un conjunto de estas, mediante un flujo de aire ascendente. A raíz de esto, el objetivo general se centra en estudiar de forma aislada la percolación de partículas finas sobre un lecho de partículas gruesas, para medir las presiones de poro alcanzadas en el lecho y observar el asentamiento de las partículas finas en función del tiempo. En este caso no se tiene un canal, sino que se inician los ensayos desde una situación estática en donde una columna de partículas finas ya se encuentra sostenida por un lecho, para luego ser inducidas a percolar de forma controlada. En los presentes ensayos, el flujo de aire es generado por la diferencia de presión de aire entre la superficie y la base de la columna de partículas, en donde la presión de aire en la base corresponde a la presión de poros del lecho, producida por la percolación, y la presión en la superficie corresponde a la presión ambiente inicial. Las presiones ambiente iniciales corresponden al 100%, 50% y 5% de la presión atmosférica. Como resultado de los ensayos se logra medir fluidizaciones entre el 6% y 28% de la presión litostática de las partículas finas a presión atmosférica. Se observa que la fluidización parcial no se logra únicamente por percolación, sino también por compactación de la columna de partículas finas. Ambos efectos actúan simultáneamente. Dentro de los tamaños de lechos y de partículas finas utilizadas, columnas de partículas de diámetro medio 75 µm logran mayores fluidizaciones que partículas diámetro medio 150 µm. En los lechos más gruesos, de 2 y 3 mm de diámetro medio, se observó mayor percolación, junto a un mayor grado de fluidización en comparación a ensayos con lecho de esferas de 1 mm. Al colapsar la columna, a presión ambiente se observan una serie de pequeña compactaciones y expansiones antes de quedar estáticas, mientras que a 5% de la presión atmosférica ocurre solo compactación.