1.
INTRODUCCIÓN ............................................................. ..................................................................................................................... ........................................................ 2
2.
OBJETIVOS ...................................................................... ............................................................................................................................. ....................................................... 2
3.
MARCO TEÓRICO ........................................................... ................................................................................................................... ........................................................ 3 3.1
MÉTODO DEL CONO DE ARENA .............................................................. .................................................................................... ...................... 3
3.1.1
UTILIZACIÓN DEL CONO DE ARENA ............................................................ ....................................................................... ........... 5
4.
MATERIALES UTILIZADOS ......................................................... ...................................................................................................... ............................................. 5
5.
EQUIPOS Y HERRAMIENTAS ................................................................. .................................................................................................. ................................. 7
6.
PROCEDIMIENTO RECOMENDADO .................................................................... ..................................................................................... ................. 10 6.1
CALIBRACIÓN DEL EQUIPO DEL CONO DE ARENA....................................................... 10
6.2
PROCEDIMIENTO DE ENSAYO .................................................................... ..................................................................................... ................. 13
7.
DATOS Y MEMORIA DE CÁLCULO......................................................... ........................................................................................ ............................... 16
8.
ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS.......................................................... RESULTADOS................................................................... ......... 18
9.
CONCLUSIONES ............................................................. ................................................................................................................... ...................................................... 19
10. RECOMENDACIONES ................................................................. ........................................................................................................... .......................................... 20 11. ANEXOS .............................................................. ............................................................................................................................... ................................................................. 21
La necesidad de conocer la densidad que posee un suelo en el terreno o en su estado natural ha permitido el uso de métodos para determinación la densidad, uno de los métodos para verificar ello es el método de cono de arena, el cual mide el grado de compactación en rellenos compactados de proyectos de ingeniería. El método del cono de arena utiliza una arena uniforme normalizada y de granos redondeados para llenar el hueco excavado en terreno. Previamente en el laboratorio, se ha determinado para esta arena la densidad densi dad que ella tiene para las mismas condiciones de caída que este material va a tener en terreno, para ello se utiliza un cono metálico. En este informe se detallará los fundamentos básicos para la realización del ensayo, así como el procedimiento de ejecución y la toma de datos que serán indispensables para calcular el contenido de humedad, densidad de la arena y calibración del cono. En consecuencia también se determinara el grado de compactación de la capa del suelo, para analizar la calidad del suelo del punto de ensayo.
Determinar experimentalmente la densidad húmeda y el contenido de humedad en una superficie de un suelo compactado por medios mecánicos.
Determinar el grado de compactación del suelo ensayo y verificar si cumple con las especificaciones según norma.
Conocer el procedimiento correcto para realizar el ensayo del cono de arena.
Determinar la densidad seca del suelo.
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El grado compactación de un suelo o de un relleno se mide cuantitativamente mediante la densidad seca. La densidad seca que se obtiene mediante un proceso de compactación depende de la energía utilizada durante la compactación, denominada energía de compactación, también depende del contenido de humedad durante la realización de la misma (compactación de la capa de suelo). El ensayo de densidad seca permite obtener la densidad de terreno y así verificar los resultados obtenidos en el proceso de compactación de suelos, en las que existen especificaciones y una correlación en cuanto a la humedad y la densidad del suelo. Para obtener estas densidades existen los siguientes métodos en terreno:
Cono de arena
Balón de caucho o balón de Hule
Densímetro nuclear
Tanto el método del cono de arena como el del balón de caucho, son aplicables en suelos cuyos tamaños de partículas sean menor es a 38mm. Y utilizan los mismos principios.
3.1 MÉTODO DEL CONO DE ARENA El método del cono de arena, se aplica en general a partir de la superficie del material compactado hasta una profundidad aproximada de 15cm. Y cuyo diámetro del hoyo de extracción de suelo es aproximadamente 4 pulgadas y relativo a la abertura de la placa base del cono metálico de ensayo; este método se centra en la determinación del volumen de una pequeña excavación de forma cilíndrica de donde se ha retirado todo el suelo compactado (sin pérdidas de material) ya que el peso del material retirado dividido por el volumen del hueco cilíndrico nos permite determinar la densidad húmeda. Determinándose la humedad de esa muestra nos permite obtener la densidad seca. Se
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utiliza una arena uniforme estandarizada (arena compuesta por partículas cuarzosas, sanas, no cementadas, de granulometría redondeada y comprendida entre las mallas Nº 10 ASTM (2,0 mm.) y Nº 35 ASTM (0,5 mm.)) y de granos redondeados para llenar el hueco excavado en terreno. Previamente en el laboratorio, se ha determinado para esta arena la densidad que ella ti ene para las mismas condiciones de caída que este material va a tener en terreno. Para ello se utiliza un cono metálico. El método del cono de arena utiliza una arena uniforme normalizada y de granos redondeados (arena OTAWA con Cu<2) para llenar el hueco excavado en terreno. Este método de ensayo no es adecuado para:
Suelos orgánicos, saturados o altamente plásticos que podrían deformarse o comprimirse durante la excavación del hoyo de ensayo.
Suelos que contengan materiales granulares dispersos que no mantengan los lados estables en el orificio de ensayo.
Tampoco para suelos que contengan una cantidad considerable de material grueso mayor de 1 ½ pulg. (38 mm) o cuando los volúmenes de los orificios de ensayo son mayores a 0.1 pie3 (2830 cm3) se aplica el Método de Ensayo ASTM D4914 o ASTM D5030.
Este ensayo proporciona un medio para comparar las densidades secas en obras en construcción, con las obtenidas en el laboratorio. Para ello se tiene que la densidad seca obtenida en el campo se fija con base a una prueba de laboratorio. Al comparar los valores de estas densidades, se obtiene un control de la compactación, conocido como Grado de Compactación, que se define como la relación en porcentaje,
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entre la densidad seca obtenida por el equipo en el campo y la densidad máxima correspondiente a la prueba de laboratorio. 3.1.1
UTILIZACIÓN DEL CONO DE ARENA 1. Este método de ensayo es utilizado para determinar la densidad de los suelos compactados durante la construcción de terraplenes, rellenos de carreteras y rellenos estructurales posteriores. A menudo es empleado como una base de aceptación para suelos compactados a una densidad especifica o porcentaje de densidad máxima determinados por un método de ensayo (método proctor) 2. Este método de ensayo puede usarse para determinar l a densidad en el sitio de depósitos de suelo natural, mezclas de suelo u otro material similar. 3. El uso de este método de ensayo generalmente se limita para suelos en una condición no saturada. No es recomendable para suelos blandos o desmenuzables o en suelos cuya condición de humedad provoque filtraciones de agua al realizar la excavación del aguajero. La exactitud del ensayo puede verse afectada en suelos que se deformen fácilmente o que pueden sufrir cambios en el volumen del agujero excavado, debido a la vibración al estar de pie o caminar cerca del aguajero durante el ensayo.
Arena: Aunque no sea posible realizar el ensayo con arena de Ottawa, el material que se seleccione debe presentar por lo menos las siguientes características: -
Tener un coeficiente de uniformidad (Cu=D60/D10) menor de 2 y el tamaño máximo de partículas menor que 2.0 mm (malla N°
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10) y menos del 3 % en peso que pase la malla de 250 µm (malla N° 60) -
Generalmente se utiliza arena de OTTAWA, que corresponden a un material que pasa por la malla N° 10 ASTM (2.00 mm) y queda retenida en la malla N° 20 ASTM (0.85 mm).
-
La cual deberá ser limpia, lavada, seca, uniforme. No cementada, durable y que discurra libremente.
-
En el momento de llenar tanto el recipiente como la excavación, esta debe fluir libremente por lo que se necesita que no ya ningún grado de adherencia o cementación entre sus granos y que estos sean de forma redondeada.
-
No se debe combinar arenas de diferentes fuentes, aun cuando ambas cumplan con gradación y demás características.
-
Se debe prestar especial cuidado a su almacenamiento, pues su alta capacidad de absorber humedad de la atmosfera puede producir cambios en su densidad y cuyo dato es necesario para determinar el resultado final del ensayo.
-
El cálculo de su densidad se debe llevar acabo con la misma exactitud y rigurosidad con la que se realiza el ensayo en campo.
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Imagen 1, Fuente: Propia
Un frasco desarmable u otro contenedor de arena que tenga una capacidad de volumen de exceda el volumen requerido para llenar el orificio de prueba y el aparato durante la prueba.
Un aparato desarmable que consiste en una válvula cilíndrica con un orificio de ½” (13 mm) de diámetro, presentando en un extremo un pequeño cono de metal conectado a un frasco en un extremo. La válvula debe tener un freno (seguro) para prevenir la rotación de una posición completamente abierta a otra completamente cerrada.
Placa metálica cuadrada o rectangular, con un hueco central con borde para recibir el embudo grande (cono) del aparato. La place debe ser plana en la base y tener suficiente rigidez, con un espesor de 3/8” a ½” (10 a 13 mm).
Los detalles del aparato y representan las dimensiones mínimas aceptables y adecuadas para ensayar suelos que tienen un tamaño máximo de 2” (50 mm) y volumen del hueco de ensayo de aproximadamente 0.1 pie 3 (2 830 cm3). Cuando el material a ensayarse contiene un pequeño porcentaje de
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partículas extra-dimensionadas y alargadas, el ensayo puede ser trasladado a una nueva ubicación. Se necesitan aparatos y volúmenes del hueco de prueba más grande cuando prevalecen las partículas mayores que 2” (50 mm).
Imagen 2, Fuente: Propia
Balanza
Imagen 3, Fuente: Propia
Horno
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Imagen 4, Fuente: Propia
Brocha de mecha fina
Imagen 5, Fuente: Propia
Combo
Imagen 6, Fuente: Propia
Cincel
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Imagen 7, Fuente: Propia
Y otros
Imagen 8, Fuente: Propia
6.1 CALIBRACIÓN DEL EQUIPO DEL CONO DE ARENA -
Las determinaciones de la masa han de ser realizadas con una aproximación de 1 gr. Excepto para aquellas en las que se requiera la determinación del contenido de humedad, las cuales serán realizadas con una aproximación de 0.1 gr.
-
Determinar la masa de arena requerida para llenar el embudo y el plato base como sigue: i) Colocar arena en el aparato y determinar el peso del aparato y de la arena. ii) Ubicar el plato base sobre una superficie plana y limpia. Invertir el aparato y colocar el embudo grande en el hueco central con bordes del plato base y
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marcar e identificar el embudo y el plato de tal manera que el mismo embudo y antes coincidan en la misma posición. iii) Abrir la válvula y dejarla abierta hasta que la arena deje de moverse, estar seguro que el aparato, plato base o la superficie plana no choque ni vibren antes de que la válvula sea cerrada. iv) Cerrar la válvula prontamente, determinar el peso de los aparatos con la a rena remanente y calcular la perdida de arena. Esta pérdida representa la masa de arena requerida para llenar el embudo y el plato base. v) Repetir los procedimientos desde i a iv por lo menos tres veces. La masa de la arena usada en los cálculos deberá ser el promedio de tres determinaciones. La máxima variación entre cualquier determinación y el promedio de tres determinaciones no debe exceder en 1%. -
Usar el método A o el método B para determinar la densidad de masa de la arena.
-
Método A: (Preferible) determinar la densidad de masa de la arena a ser usada en los ensayos de campo como sigue: i) Contenedor.- Seleccione un contenedor de volumen conocido que sea aproximadamente la misma medida y permitir que la arena caiga aproximadamente de la misma medida y permitir que la arena caiga aproximadamente la misma distancia que el orificio excavado durante la prueba de campo. Se recomienda utilizar los moldes de 1/30 pie3 (944 cm3) y de 1/13.33 pies3 (2124 cm3) que se especifican en el método de ensayo MTC E-115 y MTC E-116, o el molde de 0.1 pie3 (2830 cm3) especificado en el método de ensayo NTP 339.137. De manera alternada pueden duplicarse los orificios de ensayo mediante moldes vaciados con yeso sobre un amplio rango de volúmenes y utilizándolos como formas para los moldes concretos
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de cemento portland. Estos deben moldearse contra una superficie plana o lisa y después de que se haya removido el agua sell ada y el volumen determinado, tal como se indica en el procedimiento del método de ensa yo NTP 339.137. ii) Realizar mediciones lo suficientemente aproximadamente para determinar el volumen del recipiente con una aproximación de +- 1.0%, la tolerancia de medición para los moldes recomendables están dados en los métodos de ensayos D698 y D2049. iii) Las características de flujo a través de diferentes ensamblajes de válvulas han sido causa de diferentes valores de densidad de masa. El embudo y la válvula usados para determinar la densidad de masa de la arena deberán ser los mismos a usarse en los ensayos de campo, a menos que otros equipos sean determinantes para obtener los mismos resultados. iv) Llenar el aparato ensamblado con arena. v) Determinar la masa del recipiente de volumen conocido cuando este vacío. vi) Sostener el aparato sobre el recipiente de volumen conocido en una posición invertida, de tal manera que la arena discurra aproximadamente la misma distancia como si fuera en el ensayo de campo con la válvula de completamente. vii) Llenar el recipiente completamente y luego cerrar l a válvula. Cuidadosamente eliminar el exceso de arena fuera del nivel superior del recipiente. Con mucho cuidado debe ser tomado el recipiente para que no sea golpeado o vibrado antes de que la nivelación sea completa. viii)
Limpiar cualquier arena de la parte externa del recipiente y determinar la
masa de un recipiente de volumen conocido cuando esté lleno. Determinar la masa neta de la arena, sustrayendo la masa del recipiente vacío.
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NOTA: cuando el recipiente de volumen conocido tiene el mismo diámetro del hueco central con bordes en el plato de metal los procedimientos en vi a viii pueden ser simplificados con el uso de un plato en la parte superior del recipiente de volumen conocido. Eliminar el exceso de arena que no es requerido, cuando el aparato con arena es pesado antes y después del llenado del recipiente y la masa requerida para llenar el cono y el plato es sustraída de la diferencia. ix) Repetir el procedimiento de v a viii, por lo menos tres veces. La masa usada en los cálculos deberá ser el promedio de tres determinaciones. La máxima variación entre cualquier determinación y el promedio no deberá exceder, del 1%.
6.2 PROCEDIMIENTO DE ENSAYO -
Se selecciona el lugar para efectuar el ensa yo, en nuestro caso es la vía de acceso hacia los laboratorios de Ingeniería Civil que simulara la capa de suelo subrasante.
-
Antes de iniciar el ensayo, se debe calibrar el equipo de densidad de campo, para de esta forma obtener el peso volumétrico de la arena calibrada y el peso de arena calibrada que queda en el cono después de ejecutar el ensayo; datos que nos sirven en la determinación de la Densidad de Campo.
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Imagen 9, Fuente: Propia
-
Seguidamente se nivela el suelo compactado en el campo y se retira el material suelto.
Imagen 10, Fuente: Propia
-
A continuación se coloca la placa y se comienza a hacer una perforación (cavado con cincel), teniendo como guía el agujero interior de la placa, a una profundidad de 15 cm. Todo el material que se saque del agujero se coloca en una bolsa plástica o en un depósito y se pesa.
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Imagen 11, Fuente: Propia
-
Para determinar el volumen del agujero, utilizamos el equipo de densidad de campo de la siguiente forma: o
Se determina el peso inicial del frasco con la arena calibrada. Luego se invierte y se coloca sobre la placa, la cual está colocada en la parte superior del agujero; se abre la llave del cono, permitiendo el paso de la arena.
Imagen 12, Fuente: Propia o
Cuando el agujero y el cono están llenos de arena, se cierra la llave y se procede a determinar el peso final del frasco y la arena contenida en él. Por la diferencia de los pesos del frasco más la arena inicial y del frasco más la arena final, obtenemos el peso de la arena contenida en el agujero y el cono. A este valor le restamos el peso de la arena que cabe en el cono, obteniendo de esta forma el peso de la arena contenida en el agujero.
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Imagen 13, Fuente: Propia o
El peso de la arena dividida por su densidad, obtenida en el laboratorio mediante la calibración, nos da el volumen del agujero.
-
Finalmente se debe determinar en el laboratorio, la densidad seca máxima y el contenido de humedad de la muestra recuperada del agujero, para de esta forma, determinar el Grado de Compactación.
Imagen 14, Fuente: Propia
Los datos obtenidos tanto en laboratorio y campo son los siguientes:
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DENSIDAD APARENTE SUELTA DE LA ARENA N° ITEM
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
PRUEBA DESCRIPCION
Peso de la arena + frasco Peso de la arena sobrante + frasco Peso de la arena en el cono Peso del suelo húmedo total + recipiente Peso del recipiente Peso del suelo húmedo + recipiente Peso del suelo seco + recipiente Peso del recipiente Optimo contenido de humedad Máxima densidad seca 1era Altura de hoyo (cm) 2da Altura de hoyo (cm) 3era Altura de hoyo (cm) Diametro hoyo (cm)
3 UND
(gr.) (gr.) (gr.) (gr.) (gr.) (gr.) (gr.) (gr.) (%) (gr./cm3) (cm) (cm) (cm) (cm)
DATOS
6,360.000 1,655.000 1,280.000 5,055.000 505.000 235.000 229.130 40.000 11.770 2.709 14.600 15.000 14.600 15.240
Para el cálculo de los valores del cuadro se utilizó las siguientes formulas:
Cálculos efectuados de acuerdo a las formulas antes descritas:
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DETERMINACIÓN DEL VOLUMEN DE HOYO DESCRIPCION UND
DATOS
1era Altura de hoyo 2da Altura de hoyo 3era Altura de hoyo Altura promedio hoyo Diametro hoyo Area de hoyo
(cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm2)
14.600 15.000 14.600 14.733 15.240 182.415
Volumen de hoyo
(cm3)
2687.576
UNIVERSIDAD ANDINA N STOR C CERES VEL SQUEZ ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIER A CIVIL LABORATORIO DE MEC NICA DE SUELOS, CONCRETO Y ASFALTO PROYECTO: Laboratorio en Clase OBRA: LOCALIZACIÓN: Acceso a Laboratorios al frente de la Fac. de Educación FECHA: 25 Octubre del 2017
N° ITEM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
ENSAYO N°: 1 PROFUNDIDAD: 15 cm Aprox. DESCRIPCIÓN: Suelo Ensayado Base
DENSIDAD APARENTE SUELTA DE LA ARENA PRUEBA DESCRIPCION Peso de la arena + frasco Peso de la arena sobrante + frasco Peso de la arena en el hoyo + cono (1-2) Peso de la arena en el cono Peso de la arena en el hoyo (3-4) Densidad de arena Volumen del hoyo (5/6) Peso del suelo húmedo total + recipiente Peso del recipiente Peso total del suelo húmedo (8-9) Peso del suelo húmedo Densidad de grava Volumen del suelo húmedo (11/12) Peso del suelo húmedo (10-11) Volumen del suelo húmedo total (5/6) Densidad húmeda del suelo total (10/15) Densidad seca del suelo total (16)/1+((23)/100)
UND
3 DATOS
(gr.) (gr.) (gr.) (gr.) (gr.) (gr/cm3) (cm3) (gr.) (gr.) (gr.)
6,360.000 1,655.000 4,705.000 1,280.000 3,425.000 1.274 2,687.576 5,055.000 505.000 4,550.000
(cm3) (gr./cm3) (gr./cm3)
2,687.576 1.693 1.642
CONTENIDO DE HUMEDAD HORNO (ASTM D2216) 18 19 20 21 22 23
Peso del suelo húmedo + recipiente Peso del suelo seco + recipiente Peso del agua (18-19) Peso del recipiente Peso del suelo seco (19-21) Contenido de humedad (20/22)*100
(gr.) (gr.) (gr.) (gr.) (gr.) (%)
235.000 229.130 5.870 40.000 189.130 3.104
RESULTADOS DEL CONO DE ARENA 24 25 26 27 28
Densidad seca del suelo total (16)/1+((23)/100) Curva de DENSIDAD vs HUMEDAD Optimo contenido de humedad Máxima densidad seca
PORCENTAJE O GRADO DE COMPACTACIÓN (17/27)*100 ESPECIFICACI N SEG N LA NORMA APROBACI N (SI/NO)
(gr./cm3)
1.642
(%) (gr./cm3)
11.770 2.709
(%) (%)
60.603 95.000 NO
De acuerdo a los resultados obtenidos que fueron; un peso específico seco de 1.642 gr/cm3 con un contenido de humedad de 3.104 %, comparando estos resultados con
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el valor de Proctor Modificado de 2.709 gr/cm3 obtenemos un grado de compactación de 60.603 % el cual está muy por debajo de lo que especifica la norma la cual es de 95 %. De esto se puede analizar que el terreno en el cual se realizó el ensayo aún no ha logrado las especificaciones de compactación por lo tanto se debe compactar mucho más, cabe resaltar que el ensayo se realizó en un lugar en el que no se realizó una compactación por lo que se entiende que los resultados presentan disc repancias.
La práctica de laboratorio nos permite determinar el Grado de Compactación de una capa de suelo.
El procedimiento desarrollado es sencillo y conlleva poco tiempo, a lo máximo 24 horas y esto porque es el tiempo que permanece la muestra de suelo humedad en el horno.
Posterior a los cálculos y siguiendo el procedimiento del formato proporcionado se obtuvo que el grado de compactación es 60.603 %.
La arena empleada en el ensayo no fue la arena de OTTAWA pero se empleó una de características similares.
El suelo compactado tiene un contenido de humedad igual a 3.10 %.
De los resultados obtenidos podemos decir que el grado de compactación de la capa de suelo ensayado no es el adecuado ya que no llega a 95 %, el cual es mínimo requerido por norma para asegurar que sea aceptable y de buena funcionalidad.
Se logró conocer de manera satisfactoria el procedimiento correcto para la realización del ensayo del cono de arena, el cual es muy importante en lo que respecta en el campo de proyectos de carreteras.
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Como no se llega a utilizar la arena de OTTWA, se recomienda usar una arena de similares características y que debe cumplir con los requisitos de ser li mpia, seca, uniforme, durable y que discurra libremente; con un Cu = D60/D10 y tamaño de partículas menor de 38 mm (1 ½ “).
Como la mayoría de las arenas tiene la tendencia de absorber la humedad de la atmosfera, una muy pequeña cantidad de humedad puede influir bastante en la densidad y el volumen. Por lo que debe tener especial cuidado sobre ello.
Este método de ensayo no es adecuado para sueles orgánicos, saturados o altamente plásticos que podrían deformarse o comprimirse durante la excavación del hoyo de ensayo.
Este método de ensayo puede no ser adecuado para suelos que contengan materiales granulares dispersos que no mantengan los lados de la excavación estables, tampoco para suelos que contengan una cantidad considerable de gruesos mayor de 1 ½” (38 mm), ni para suelos granulares que tengan altos porcentajes de vacíos.
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HOJA REGISTRO DE DATOS
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