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Analisis de la Estabilidad, Flujo y Vacíos de Mezclas Asfált

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on 18 July 2014

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Análisis de la Estabilidad, Flujo y Vacíos de Mezclas Asfálticas fabricadas con agregados grueso de río respecto a mezclas fabricadas con agregado grueso de cantera en el sector Zurite - Pisac.
02
11
2013
Capítulo I: Planteamiento del Problema
Identificación del Problema
Problemas a la Transitabilidad Vehicular
Diferentes propiedades físicas y químicas.
AG + AF + Material Asfáltico = Mezcla Asfáltica en Caliente
Municipalidad del Cusco
COPESCO
Formulación del Problema
Problema General
En la Ciudad del Cusco se tiene una serie de canteras de agregado grueso y agregado fino como también canto rodado que contienen diferentes propiedades físicas; así mismo se está utilizando en la pavimentación de la vías de la ciudad del Cusco mezclas asfálticas con diferentes tipos de agregado, sin tener una idea clara de las ventajas que ofrece respecto a resistencia y otras propiedades el uso de materiales provenientes de diferentes tipos de canteras.
Formulación Interrogativa del Problema
• ¿De qué manera influye en las propiedades físicas el origen del agregado grueso en la conformación de mezclas asfálticas?
• ¿En qué medida varía la estabilidad de mezclas asfálticas fabricas con agregado grueso de río respecto a las fabricadas con agregado grueso de cantera?
• ¿En qué medida varía el flujo de mezclas asfálticas fabricadas con agregado grueso de río respecto a las fabricadas con agregado grueso de cantera?
• ¿En qué medida varía el porcentaje de vacíos de mezclas asfálticas fabricas con agregado grueso de rio respecto a las fabricadas con agregado grueso de cantera?
• ¿Existirán variaciones significativas entre el Flujo, Estabilidad y Vacíos de mezclas Asfálticas Fabricadas con Agregado Grueso de Pisac respecto a las fabricadas con agregado grueso de Zurite?
Justificación e Importancia del Problema
Económica
Brinda solución a un problema que se genera por no tener un adecuado concepto de lo que son agregados triturados de río y de cantera y sus respectivas propiedades que contienen dichos agregados en la zona de la cuenca del rio Vilcanota en el sector de Pisac y la zona de Anta respectivamente.
Técnica
Es importante conocer los parámetros y métodos de diseños de mezclas que existen en la actualidad.

Nos permite ser la base de estudios posteriores que ayuden a mejorar el uso de mezclas asfálticas en calientes en la Ciudad del Cusco.

Social
Tenemos varios problemas con nuestras vías sobre todo se ve afectado el asfalto. Este trabajo ayudara a mantener la vida útil de las pavimentaciones estética y estructuralmente, entonces brindara comodidad al usuario.
Limitaciones de la Investigación
• El estudio se limita a la evaluación de agregados gruesos provenientes del rio Vilcanota en la zona del valle sagrado
• Se limita a piedra chancada (agregado grueso), proveniente de Zurite – Anta
• Se limita a canto rodado proveniente de Morro blanco en el distrito de Pisac.
• Se limita la evaluación a la resistencia, flujo y estabilidad como parámetros de comparación.
• Se considera solo el uso del aditivo Quimibond 3000 para mejorar la adherencia, emulsiones asfálticas, polímeros u otras sustancias que mejoren la calidad del asfalto para mezclas asfálticas, por ser el utilizado en las plantas de asfalto en la ciudad del Cusco.
• La disponibilidad de equipos para realizar los ensayos necesarios para mezclas asfálticas es limitada
• No se han encontrado estudios o antecedentes similares al que se plantea estudiar en la ciudad del Cusco
• La disponibilidad de materiales está en función al agregado que disponen las entidades que realizan pavimentaciones flexibles en la Ciudad del Cusco.

Objetivos de la Investigación
• Evaluar la estabilidad, flujo y vacíos de mezclas asfálticas fabricadas con agregados provenientes de la zona de Pisac y de la zona de Zurite.
Analizar las propiedades físicas de los agregados angulares provenientes de las canteras de Pisac y Zurite.
Evaluar la estabilidad de mezclas asfálticas fabricadas con agregados gruesos de Pisac y Zurite
Evaluar el porcentaje de vacíos de mezclas asfálticas fabricadas con agregados gruesos de Pisac y Zurite.
Evaluar el flujo de mezclas asfálticas fabricadas con agregados gruesos de Pisac y Zurite.
Evaluar comparativamente los resultados obtenidos de flujo, estabilidad y vacíos de mezclas asfálticas fabricadas con agregado grueso de Pisac (rio) respecto a las fabricadas con agregado grueso de Zurite (cantera).
Capítulo II: Marco Teórico
DEFINICIÓN
Es un material que se usa para la aplicación de pavimentos flexibles por sus propiedades flexibles, aglutinantes, flexibilidad, durabilidad y alta resistencia a los sulfatos y álcalis. Se clasifican por su viscosidad o por su penetración.
Material
Laboratorio
Cemento Asfáltico
Agregado
Aditivo
Selección de Cantera
Agregado Grueso
(Piedra)

Agregado Fino
(Arena)

Abrasión
Partículas Chatas y Alargadas
Caras Fracturadas
Adherencia

Índice de Plasticidad
Equivalente de Arena
Adherencia

Mezcla
Método Marshall ASTM D-1559
Propiedades Físicas
Durabilidad
Adhesión y Cohesión
Susceptibilidad a la Temperatura
Suficiente Fluidez
Envejecimiento y Endurecimiento
Propiedades Químicas
Asfalto
Asfaltenos
Maltenos
Aceites Saturados

Resinas Aromáticas
Igneas
Metamorficas
Sedimentarias
Se forman a partir del enfriamiento de rocas fundidas
Formadas a partir de otras rocas sometidas a grandes presiones
Se forman a partir de trozos de otras rocas y en zonas superficiales
Mejoradores de Adherencia, mejoran la afinidad química entre el asfalto y el agregado así como el desempeño de la mezcla asfáltica.
Cenizas
Cal
Aditivos producidos comercialmente
ESTUDIO DE CANTERAS
Objetivo
Conocer la calidad del material pétreo desde el punto de vista de su desgaste.
Alteración
Planos débiles y aristas desgastables
Clima (Intemperismo)
Objetivo
Evitar el uso de Agregados que puedan presentar problemas de fractura; deformaciones permanentes y grietas por fatiga.
Objetivo
Maximizar la resistencia al esfuerzo cortante con el incremento de la fricción entre partículas. Dando fricción y textura a los agregados.
Objetivo
Evitar el desgranamiento de las mezclas por perdida de adherencia ligante-piedra.
Objetivo
Medir el Grado de Plasticidad de los finos.
Objetivo
Determinar el grado de adherencia del agregado por el asfalto, tendencia del agregado a aceptar y retener una capa de asfalto.
METODO MARSHALL
Diseños de Mezclas Asfalticas
METODO HVEEM
METODO SUPERPAVE
Estabilidad
Flujo
Vacíos
Gravedad Especifica
Es la relación del peso por unidad de volumen de un material respecto del mismo volumen de agua.
VMA=Pb+Va
Va
VMA
VFA
Pb=Pt-
x
VFA=volumen de Pb
Vacíos
Resultados
• Resistencia a la Deformación Permanente
• Resistencia a la Fatiga
•Resistencia al agrietamiento por bajas temperaturas
• Durabilidad
• Resistencia a la humedad
• Resistencia al patinaje
• Trabajabilidad
Investigación Actual
Investigación Nacional
Investigación Internacional
• Pavimentos Asfalticos en Zonas de Altura. Ing. J. Rafael Menéndez A. Maestría en Ciencias con mención en ingeniería de transportes facultad de Ingeniería Civil Universidad de Ingeniería, 2005.
• Asfaltos Modificados para reducir baches. Sofía Sánchez Flores, UNAM
• Aplicación del Método Marshall y Granulometría Superpave en el diseño de Mezclas Asfálticas en caliente con asfalto clasificación grado de desempeño. Crespín Molina, Rafael Alexander; Santa Cruz Jovel, Pablo Alberto, Universidad del Salvador Septiembre de 2012.
• Análisis comparativo de módulo resilente y ensayos de deformación permanente en mezclas asfálticas del tipo (MDC2) en briquetas compactadas con martillo Marshall y compactador giratorio. Dávila M. Juan Manuel, Pontificia Universidad Javeriana Bogota-2012.
• Comportamiento de una mezcla asfáltica modificada con polímero etileno vinil acetato (EVA). Maila Paucar, Manuel Elias, Universidad Central del Ecuador Quito-2013.
Variables
Variables Independientes
Variables Dependientes
Hipótesis
Hipótesis General
La estabilidad, flujo y vacíos en mezclas asfálticas fabricadas con agregados gruesos de cantera de Zurite es mayor que las fabricadas con agregados provenientes de río Pisac.
Sub Hipótesis I
Las propiedades físicas de los agregados angulares provenientes de piedra de rio triturado de Pisac darán mayores valores en la resistencia de la mezcla asfáltica que los provenientes de cantera del sector Zurite.
Sub Hipótesis II
Los valores de estabilidad obtenidos de mezclas asfálticas con agregados de Pisac serán mayores que los agregados de Zurite.
Sub Hipótesis III
Los valores de flujo obtenidos de mezclas asfálticas con agregados de Pisac serán mayores que los agregados de Zurite.
Sub Hipótesis IV
Los valores de porcentaje de vacíos obtenidos de mezclas asfálticas con agregados de Pisac serán mayores que los agregados de Zurite.
Sub Hipótesis V
Flujo estabilidad y vacíos de la mezcla fabricada con agregados de Pisac no varía sustantivamente del flujo estabilidad y vacíos de la mezcla asfáltica fabricada con agregados de Zurite.
Capítulo III: Metodología
Identificación del Problema

La tesis es del tipo Cuantitativo
.
Porque nuestra tesis tiene asociación o relación entre variables que son cuantificadas, es aquella en la que se recogen y analizan datos cuantitativos sobre variables.

Nivel: Descriptivo
Porque nuestro objetivo de la tesis es medir el comportamiento de las variables y cómo se comportan los agregados gruesos triturados de cantera respecto a los agregados gruesos triturados de rio en las mezclas asfálticas en caliente.


Método: Hipotético – Deductivo
Porque se parte de una hipótesis la cual se demuestra mediante una serie de pasos los cuales nos permiten deducir relaciones o inferencias entre las variables que permitirán demostrar la hipótesis.

Es aplicativa
Porque esta investigación utiliza métodos e instrumentos propios de ingeniería y que son aplicables propiamente en obras civiles.


Diseño de la Investigación
Experimental
Abrasión
Partículas Chatas y Alargadas
Caras Fracturadas
Adherencia
Indice de Plasticidad
Equivalente de Arena
Método Marshall

Materiales
• Máquina de desgaste de los Ángeles.
• Tamices de los siguientes tamaños: 3”, 2 ½”, 2”, 1 ½”, 1”, ¾”, ½”, 3/8”, ¼”, N°4, N°8. Un tamiz N°12 para el cálculo del desgaste.
• Esferas de acero de 46.38 a 47.63 mm de diámetro de peso equivalente entre 390 a 445 gr.
• Horno capaz de mantener una temperatura de 110+-5°C.
• Balanza sensibilidad de 1.0 gr.

Materiales
• Calibrador de aplanamiento y alargamiento
• Tamices 2 ½”, 2”, 1 ½”, 1”, ¾”, ½”, 3/8”, ¼”
• Bandejas
• Cuarteador
• Balanza sensibilidad de 0.1% el peso de la muestra que se ensaya


Materiales
• Balanza de 5 kg y sensibilidad al gramo
• Tamices
• Partidor de muestras
• Espátula



Materiales
Tamices de 3/8”, ¼” y bandeja
Recipiente de porcelana
Recipiente de vidrio de 500 ml de capacidad
Horno capaz de mantener temperaturas de 60° - 149° ± 1.1°C
Baño maría para asfalto con controlador automático
Balanza de 200±0.1 gr de precisión
Espátula acerada de 1” de ancho y 4” de longitud
Bitumen que debe ser del mismo tipo de que se va usar en obra. Si se propone algún aditivo químico, este debe adicionarse al bitumen en la cantidad especificada y antes de mezclar enteramente el espécimen
Agua destilada con pH entre 6 y 7




Materiales
• Tubo irrigador
• Sistema de Sifón
• Probeta graduada
• Tubo flexible
• Pisón de metal
• Recipiente metálico
• Cronometro o reloj
• Embudo
• Tamiz N°4
• Recipiente para mezcla
• Horno
• Papel filtro




Preparación del Material
Población
• Mezclas Asfálticas obtenidas con agregados triturados gruesos provenientes de cantera Zurite.
• Mezclas Asfálticas obtenidas con agregados triturados provenientes de río Pisac.
• El tipo de cemento asfaltico que se utilizara será el PEN 85-100.
• El tipo de aditivo que utilizaremos será el Quimibond 3000.

Muestra
o Doce briquetas para mezclas fabricadas con agregado triturado de río
o Doce briquetas para mezclas fabricadas con agregado triturado de cantera
• Canteras que tengan las siguientes características mecánicas:
o Tamaño y gradación
o Limpieza de materiales deletéreos
o Tenacidad y dureza
o Textura superficial
o Forma de partículas
o Absorción
o Afinidad por el asfalto


Criterios de Inclusión
• Los agregados chancados de cantera deben provenir de Zurite.
• Los agregados chancados de rio deben provenir de Pisac.
• El cemento asfáltico debe ser del tipo PEN 85-100.
• El aditivo para la mezcla debe ser Quimibond 3000.

Instrumentos
Entrevista
Guías de Observación
Capítulo IV: Resultados
Capítulo V: Discusión
1. ¿Resulta conveniente el uso de agregados gruesos provenientes de la trituración de piedra de río respecto a los agregados gruesos provenientes de cantera?
Es conveniente debido a que presenta valores mayores en sus propiedades físicas, sin embargo para efectos de mezclas asfálticas los valores de flujo, estabilidad y vacíos son menores a los que obtiene con agregados triturados provenientes de cantera de Zurite.
2. ¿Qué propiedades físicas permiten determinar la ventaja de usar agregado grueso de proveniente de río y cantera?
Las propiedades más significativas son la abrasión, partículas fracturadas y partículas chatas y alargadas.
3. ¿Qué valores nos arrojan las propiedades físicas de los agregados angulares provenientes de rio triturada del sector de Morro blanco en el distrito de Pisac?

Los valores que nos arrojan las propiedades físicas provenientes del distrito de Pisac son: Abrasión: 19.50%, Afinidad Agregado con el Bitumen: 98%, Partículas fracturadas 98.20%, Partículas chatas y alargadas: 3.33%, Equivalente de Arena: 30.30%, Gravedad Especifica y Absorción de agregados finos: 2.577, Gravedad Especifica y Absorción de agregados gruesos: 2.53.

4. ¿Qué valores nos arrojan las propiedades físicas de los agregados angulares provenientes de cantera triturada del sector de Zurite en el distrito de Anta?

Los valores que nos arrojan las propiedades físicas provenientes del distrito de Anta son: Abrasión: 22.40%, Afinidad Agregado con el Bitumen: 96%, Partículas fracturadas 99.10%, Partículas chatas y alargadas: 4.00%, Equivalente de Arena: 30.30%, Gravedad Especifica y Absorción de agregados finos: 2.624, Gravedad Especifica y Absorción de agregados gruesos: 2.526.
5. ¿Es significativa la diferencia de las proporciones de materiales usando los dos tipos de agregados?
No, las diferencias son pequeñas, obteniéndose una diferencia de (42-39%) Zurite-Pisac respectivamente para grava triturada, de (18-21%) Zurite-Pisac respectivamente para arena triturada y de (40-40%) Zurite-Pisac respectivamente para arena natural.
6. ¿Hay diferencia significativa entre flujo, estabilidad y vacíos entre mezclas fabricadas con agregados de Zurite y Pisac?
Las diferencias son mínimas en el análisis en flujo y vacíos dando resultados.
- Los agregados de Zurite: Vacíos de Aire: 2.5%, Vacíos en el Agregado Mineral: 14%, Vacíos llenos con concreto asfaltico: 81.9%, Flujo: 3.64 mm.
- Los agregados de Pisac: Vacíos de Aire: 2.8%, Vacíos en el Agregado Mineral: 13.8%, Vacíos llenos con concreto asfaltico: 79.6%, Flujo: 3.40 mm.
Las diferencias en cuanto a la estabilidad varían considerablemente dando resultados.
- Los agregados de Zurite: Estabilidad: 1266 kg.
- Los agregados de Pisac: Estabilidad: 979 kg.

7. ¿Qué consideraciones se han tomado sobre vacíos en la mezcla asfáltica?
Se ha considerado el análisis de tres tipos de vacíos por norma ASTM D-1559, como son: Vacíos de Aire, Vacíos en el Agregado Mineral (VMA), Vacíos llenos con concreto asfaltico (VFA).
8. ¿Cómo se interpreta la estabilidad en las mezclas asfálticas obtenidas?

La estabilidad de los agregados de Zurite es más alta porque resistirá más carga para que se produzca la falla, en cambio la estabilidad de los agregados de Pisac es menor y resistirá menos; no obstante los dos valores están dentro de los límites permitidos en la Norma Marshall.



Conclusiones
Conclusión N°1. Se demuestra la hipótesis ya que las mezclas obtenidas con agregado grueso proveniente de la trituración de piedras de rio de Pisac presentan en promedio menores valores en las propiedades referidas a la estabilidad, flujo y vacíos, observándose que la diferencia es dependiente del porcentaje de cemento asfaltico utilizado en la mezcla tal y como se muestra en las tablas 17 y 21.

Conclusión N°2. Se demuestra la primera sub hipótesis ya que el porcentaje de abrasión para agregado grueso proveniente de piedra triturada de rio de Pisac es de 19.50% respecto a 22.40% (valor más alto, por lo tanto mayor desgaste), del agregado grueso proveniente de cantera Zurite. Sin embargo la diferencia no es muy significativa en otras propiedades físicas como las partículas fracturadas por lo menos de una cara fractura cuyo porcentaje sale de 99.10% para ambos agregados gruesos; la característica más importante que podemos ver en la tabla 13 es sobre el ensayo de Afinidad Agregado – Bitumen, se aprecia que solo ese 2% afecta en los resultados del porcentaje de vacíos de la mezcla con el bitumen.

Conclusión N°3. No se demuestra la segunda sub hipótesis porque el promedio de la estabilidad de mezclas obtenidas con agregado de rio Pisac es de 919 kg que es menor al promedio de 1113 kg obtenido para mezclas con agregado grueso triturado de cantera de Zurite. Para cada porcentaje de cemento asfaltico usado en la mezcla se tienen diferentes valores mostrados en la tabla 17 y 21.

Conclusión N°4. No se demuestra la tercera sub hipótesis porque el promedio del flujo de la mezcla asfáltica obtenida con agregado grueso triturado proveniente de rio Pisac es de 3.65 mm que es menor al promedio de 3.95 mm obtenido para mezclas con agregado grueso triturado de cantera de Zurite. Para cada porcentaje de cemento asfaltico usado en la mezcla se tienen diferentes valores mostrados en la tabla 17 y 21.

Conclusión N°5. Se demuestra la cuarta sub hipótesis porque en promedio el agregado grueso triturado proveniente de rio Pisac tiene más vacíos, absorbiendo más cantidad de asfalto que el agregado triturado de la cantera de Zurite; la relación se ve en los tres parámetros de porcentaje de vacíos. Para cada porcentaje de cemento asfaltico usado en la mezcla se tienen diferentes valores mostrados en la tabla 17 y 21.

Conclusión N°6. Se ha logrado realizar el objetivo específico número uno obteniéndose como valores más representativos los de 19.50% (abrasión), 99.10% (Partículas Fracturadas por lo menos una cara fracturada), 98.20% (Partículas Fracturadas por lo menos dos caras fracturadas), 3.33% (Partículas chatas y alargadas) para los agregados gruesos provenientes de piedra triturada de rio.

Conclusión N°7. Se ha logrado realizar el objetivo específico número uno obteniéndose como valores más representativos los de 22.40% (abrasión), 99.10% (Partículas Fracturadas por lo menos una cara fracturada), 97.60% (Partículas Fracturadas por lo menos dos caras fracturadas), 4.00% (Partículas chatas y alargadas) para los agregados gruesos provenientes de piedra triturada de cantera.

Conclusión N°8. Se ha logrado realizar el objetivo específico número dos obteniéndose como valores más representativos en estabilidad la mezcla con 6.50% de cemento asfaltico pero se evaluó 5 porcentajes.


Conclusión N°9. Se ha logrado realizar el objetivo específico número tres obteniéndose como valores más representativos en flujo la mezcla con 6.50% de cemento asfaltico pero se evaluó 5 porcentajes.


Conclusión N°10. Se ha logrado realizar el objetivo específico número cuatro, se analizó los tres parámetros de vacíos para cada porcentaje de cemento asfaltico, siendo el más representativo la mezcla con 6.50%.





Conclusión N°11. Se ha logrado realizar la comparación de los resultados de flujo, estabilidad y vacíos de las mezclas asfálticas; la cual tuvo mejores valores las mezclas fabricadas con agregado grueso de Zurite.



Recomendaciones
Recomendación N°1. Se recomienda utilizar esta tesis para conocer las características de los agregados que estudiamos y cómo se comportan sin y con el asfalto. Haciendo estos ensayos para las demás canteras que se desea estudiar y comparar.

Recomendación N°2. Darle continuidad a este trabajo de investigación verificando los resultados de laboratorio y los resultados puestos en obra, para ver las variaciones frente a las cargas de tránsito y del medio ambiente.

Recomendación N°3. Utilizar equipos de protección al momento de realizar los ensayos con el material bituminoso.

Recomendación N°4. Se recomienda el uso de agregado grueso triturado proveniente de rio de Pisac para mezclas asfálticas que requieran menor flujo.

Recomendación N°5. Se recomienda el uso de agregado grueso triturado proveniente de cantera de Zurite para mezclas asfálticas que requieran mayor estabilidad.

Recomendación N°6. Se recomienda el uso de agregado grueso triturado proveniente de la cantera de Zurite para mezclas asfálticas que requieran menor porcentaje de vacíos.

Recomendación N°7. Teniendo el análisis comparativo del ensayo de Marshall se recomienda utilizar el agregado de río de Pisac porque se tiene una mejor gradación.

Recomendación N°8. Para todo tipo de ensayo se recomienda hacer el cuarteo necesario para tener un mejor resultado al momento de realizar nuestros ensayos

Recomendación N°9. Tener en cuenta que para tener una mezcla asfáltica en caliente se tiene que llegar a una temperatura de calentamiento entre 135 a 150 grados centígrados.

Recomendación N°10. Se recomienda que para el uso del agregado de cantera en obra se haga un venteo o lavado previo al uso de este en la mezcla asfáltica.

Recomendación N°11. Se recomienda ampliar este estudio aplicado a diferentes zonas de Rio Vilcanota, como por ejemplo: Urcos, Machupicchu.

Recomendación N°12. Se puede ampliar el estudio aplicado a otras realidades complementando con análisis químicos y otras propiedades de los agregados de esas zonas.

Recomendación N°13. Se recomienda que las plantas asfálticas que deseen utilizar el agregado triturado de cantera de Zurite sea necesario realizar una selección óptima de dicho material utilizando zarandas de ½”.

Recomendación N°14. Se recomienda tener bastante cuidado en el momento de moldear las probetas de asfalto retirándolas uniformemente.

Recomendación N°15. Se recomienda utilizar el cemento asfaltico PEN 85-100, ya que estamos en una zona de altitud media.

Recomendación N°16. Se recomiendo compactar muy bien la mezcla para asegurarnos que la prueba de vacíos sea exitosa.

Abrasión
Chatas y Alargadas
Partículas Fracturadas
Equivalente de Arena
Análisis Granulometrico
Gravedad Específica Gruesos y finos
Rice
Procesamiento de Datos
5.5%
6.0%
6.5%
7.0%
7.5%
Zurite
• Numero de Golpes de compactación en cada cara: 75 golpes
• Cemento Asfaltico: (+/- 0.3%)
• Vacíos: 2 – 4 %
• VMA: Min 14
• Flujo: 2 – 4 mm
• Estabilidad: Min 815 kg

Pisac
• Numero de Golpes de compactación en cada cara: 75 golpes
• Cemento Asfaltico: (+/- 0.3%)
• Vacíos: 2 – 4 %
• VMA: Min 14
• Flujo: 2 – 4 mm
• Estabilidad: Min 815 kg

GRACIAS POR SU ATENCIÓN
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