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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 1
DISEO MINERO
Ensayos en roca
DIPLOMA
GEO-MINERO-METALURGIA
Para Codelco
Dr. Ing. Javier VallejosOctubre 2011
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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 2
Modelo geotcnico
Modelo Geolgico Litologa
Alteracin
Zonas mineralizadas
Esfuerzos in-situ
Modelo Estructural Estructuras mayores
Fallas Planos de estratificacin
Pliegues Estructuras menores
Juntas
Fallas menores
Modelo GeotcnicoDominios geotcnicos y parmetros asociados, incluyendo:
Distribucin de materiales
Anisotropa estructural
Parmetros de resistencia
Factores hidrogeolgicos (drenaje)
Modelo Hidrogeolgico Unidades hidrogeolgicas
Conductividades hidrulicas
Rgimen de flujo Nivel fretico
Distribucin de presin de poros
Modelo macizo rocoso Roca intacta
Estructuras Calificacin del macizo
Resistencia del macizo
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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 3
Roca intacta
Se define como roca intacta un volumen pequeo de roca a nivelmacroscpico, el cual debe estar libre de irregularidades ydiscontinuidades, que influyan en la cinemtica de su ruptura.
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4/51Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 4
Ensayos ndices: Porosidad,
Peso unitario,
Velocidad ultrasnicas, VP, VS
Ensayos mecnicos: Traccin directa, td Traccin indirecta (brasileo), tb
Corte directo, = f(n) Compresin uniaxial
Directa: laboratorio (UCS, c)
Indirecta: carga puntual (IS), martillo geolgico, martillo Schmidt (R)
Resistencia triaxial, 1 = f(3), E(3) Mdulos de deformacin, E y
Ensayos en roca
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5/51Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 5
Ensayos en rocaEnsayo Designacin ASTM Sugerencias ISRM
Preparacin de muestras D4543 - 08 ISRM (1981)
Contenido de humedad D2216 - 10 ISRM (1981), pp. 79-89ISRM (1979a)
Densidad, Porosidad C97-83 ISRM (1981), pp. 79-89ISRM (1979a)
Velocidades ultrasnicas D2845 - 08 ISRM (1981), pp. 105-110ISRM (1978a)
Durabilidad D4644 - 08 ISRM (1981), pp. 92-94ISRM (1979a)
Permeabilidad D4525 - 08
Traccin directa D2936 - 08 ISRM (1981), pp. 117-120
ISRM (1978b)
Traccin indirecta D3967-08 ISRM (1981), pp. 120-121ISRM (1978b)
Corte directo D5607 - 08 ISRM (1981), pp. 135-137
Resistencia a la compresin uniaxial D7012 - 10 ISRM (1981), pp. 111-114
ISRM (1979b), ISRM (1999)Carga puntual D5731 - 08 ISRM (1985)
Martillo Schmidt D5873 - 05 ISRM (1981), pp. 101-102ISRM (1978c)
Resistencia triaxial D7012 - 10 ISRM (1981), pp. 123-127ISRM (1978d), ISRM (1983)
Mdulos de deformacin y Poisson D7012 - 10 ISRM (1981), pp. 114-116
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Sistema trifsico
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Clark(1966);BraceandRiley(1972)
Proporcin entre la parte vaca de la roca (poros) y la parte slida
t
v
vs
v
V
V
VV
V=
+==
talvolumen to
vacosdevolumen
Porosidad,
Thomp
sonandSchatz(1986
)
Log porosidad
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Peso por unidad de volumen Relacionado con la mineraloga y constitucin de los granos que
forman la roca
wgs
wgs
t
t
VVV
WWW
V
W
++++==
Densidad del material de inters dividido por la densidad del agua
Medida adimensional
Peso especfico,
Gravedad especfica, G
w
G
=
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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 9
Tipo de material Unidad Peso Unitario
Seco, d(kPa/m)
Porosidad,
(%)
Suelos granulares(Hough, 1957)
Arena UniformeLimo UniformeArena Limosa
Arena Gruesa-FinaArena micacea
13,0 18,512,6 18,513,7 20,0
13,4 21,711,9 18,9
50 - 2952 - 2947 - 23
49 - 1755 - 29
Rocas sedimentarias(Rispin and Cooper,
1972)
Arenisca (Lazenby)Arenisca (Exeter)
Arenisca (Staindrop)Pizarra (Widdrington)Caliza (Wolsingham)Yeso (Pitstone)Arenisca SiliceaArenisca Silicea
22,621,9
22,328,027,018,824,323,4
13,415,8
14,23,700,2324,63,205,60
Rocas gneas yMetamrficas(Rispin and Cooper,1972)
Arenisca SilicificadaCuarcitaCuarcita (Skye)Granito (Creetown)DoleritaPizarra (Honister)
26,626,126,326,528,927,4
0,712,600,980,750,440,77
Valores tpicos
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Determinacin de la velocidad de ondas de compresin (VP) y decorte (VS)
Rpido y relativamente barato
Evaluacin de constantes de rigidez elsticaspara pequeas deformaciones (< 10-6)
Puede utilizarse para evaluar anisotropa
Transductores piezoelctricos
Velocidades ultrasnicas
( )2PS VE = ( )2SS VG =
( )
( )[ ]22
12
21
PS
PSS
VV
VV
=
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Material VP (m/s)
Clays
ShalesSlatesSands
SandstonesCoals
Salt RocksLimestones
MarblesSchists
GranitesBasaltsWater
IceQuartzGlassSteel
Aluminum
1000 2700
1400 46003500 4400200 2000
1400 46001100 28003500 55001700 6400
5000 60003500 77004000 61005000 6700
14601000 4000
52205800 68005900 63006300 - 7000
Franklinand
Desseault(1989)
Velocidades ultrasnicas
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Ensayos de laboratorio estn diseados para replicar losmodos de falla/condiciones de carga de terreno
modificadodeHudsonandHa
rrison(1997)
Ensayos mecnicos
Compresin uniaxial Traccin directa Corte directo
Esfuerzoaxial
Fuerza
normal
Fuerzacorte
Biaxial Poliaxial-Triaxial verdaderoTriaxial
Esfuerzo
axial
Esfuerzolateral
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Traccin directa
Configuracin natural para estimar la resistencia a la traccin
A
Ta =
Fairhurs
t(1961)
T
T
Recomendaciones ISRM (1981):
H/D 2,5 3,0 Almacenamiento de muestras < 30 das
Rotura ocurre aprox. 5 min. de carga
Tasa de carga: 0,5 1,0 MPa/s (roca dura)
Al menos 5 ensayos por tipo de roca
HawkesandMellor(1970)
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Traccin directa
Evitado debido a: Difcil de sujetar los bordes a la muestra
La naturaleza frgil y baja resistencia a la traccin de muchasrocas
Procedimiento relativamente costoso y laborioso
Generalmente se reemplazan por mtodos indirectos (brasilero)
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Traccin directa
=====
=
xzyzxyyyxx
zz
=
=
=
3
2
1
z
xy
[ ]
=
zzyzxz
yzyyxy
xzxyxx
3
1
1 = 31 = -3
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Traccin indirecta-Brasilero
Permite estimar la resistencia a latraccin Barato y fcil de realizar
Sugerencias ISRM (1981)
Envolver al disco con tape grueso (0,2-0,4 mm) demanera de reducir concentraciones de esfuerzos
Rotura entre 15-30 seg. de carga Al menos 10 ensayos por tipo de roca
La falla ocurre por una fractura de
extensin a lo largo de un planodiametral paralelo al eje del cilindro
D
t
W
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Debido a que las placas son rgidasrelativo a la roca se asume cargapuntual (W)
El campo de esfuerzos es estimadomediante ecuaciones de laelasticidad
Traccin indirecta-Brasilero
3 =tb
En la falla:
1 = -33
3
1
1 = 31 = -3
tb
Jae
geretal.(2007)
x
y
32
==DtW
xx
1
6
==Dt
Wyy
Al centro del disco los dosesfuerzos principales son:
33=
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Traccin directa vs indirecta
Ensayo brasileo entrega valores ms altos que el de traccin directa
Causas?
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Corte directo
Permite medir la resistencia al corte de manera directa de un planode debilidad mediante la aplicacin de un esfuerzo normal (n)constante y un esfuerzo de corte ()
Sugerencias ISRM (1981)
Tasa de desplazamiento de cortePre-peak: 0,1-0,5 mm/min
Post-peak: 0,02-0,2 mm/min
Al menos 5 ensayos por tipo deroca/discontinuidad a esfuerzos normales distintos
AF
AN Hn == ,
A: rea de contacto corregidapor desplazamiento de corte
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Corte directo
GonzlezdeVallejo(2002)
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Corte directo
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Corte directo
L
0,2L (min)
5 mm (min)
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Corte directo
C
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Corte directo
Usualmente testigos de roca intacta presentan una resistencia muy altapara ser ensayados en maquinas de corte directo convencionales
C t di t
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Corte directo
Ventajas:Simple y rpidoPrincipios bsicos elementales
DesventajasDistribucin de esfuerzos en la superficie de corte no es uniformeSe desconoce el estado de esfuerzos principalesSuperficie de rotura es obligada
El rea de contacto del plano de corte disminuye a medida que seproduce el desplazamiento horizontal
R i t i l i i i l (UCS )
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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 26
Puede ser determinada de dos maneras:
Directa
- Laboratorio: ensayo de compresin uniaxial
Indirecta
- Ensayo de carga puntual- Martillo de Schmidt- Martillo geolgico
Resistencia a la compresin uniaxial (UCS, UCS)
E d i i i l
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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 27
Eje de la muestra
rea de carga
Estado de esfuerzos en laparte central de la muestra:
a=P/A = 4P/(D2)
L=0
Deformaciones:
a = H/H
L = D/D
V = a +2LP
P
{ }aUCS max=
Ensayo de compresin uniaxial
Recomendaciones ISRM (1981), ASTM D7012 - 10:
No se permite el uso de materiales en la interfaz roca-maquina o tratamientos distintos al rectificado
Almacenamiento de muestras < 30 das Rotura ocurre entre 5 10 min. de carga
Tasa de carga: 0,5 1,0 MPa/s (roca dura)
Tasa de deformacin: 105 104 s-1
Al menos 5 ensayos por tipo de roca
=a&
=a&
Ensayo de compresin uniaxial
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3
1
1 = 31 = -3
[ ]
=
zzyzxz
yzyyxy
xzxyxx
z
x y
Ensayo de compresin uniaxial
Esfuerzoaxial
=====
=
xzyzxyyyxx
zz
=
=
=
3
2
1
Ensayo de compresin uniaxial
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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 29
Modulo de Poisson:
= - (r/a)
Modulo de deformacin:
E = /
Tangente (Et): en un % de UCSPromedio (Eav): porcin lineal
Secante (ES): origen hasta % UCSBradyandBrown
(2005)
Ensayo de compresin uniaxial
UCS = 104 MPa
r
PFC2D crack
Ensayo de compresin uniaxial
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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 30
Ensayo de compresin uniaxial
DeereandMiller
(1966),GonzlezdeV
allejo(2002)
Ensayo de compresin uniaxial
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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 31
Ensayo de compresin uniaxial
Efecto forma
DH
DH
DH
UCS
UCS
24,088,02
+
==
Si H/D es menor a 2 (ASTM 2938 - 86)
Hawkes and Mellor (1970)
1 = Westerly Granite (Mogi, 1966)
2 = Dunham Dolomite (Mogi, 1966)
3 = Muzo Trachyte (Mogi, 1966)
4 = Pennant Sandstone (Hobbs, 1964)
5 = Kirkby Silstone (Hobbs, 1964)
6 = Ormonde Sandstone (Hobbs, 1964)7 = Darley Dale Sandstone (Chakravarty, 1963)
8 = Berea Sandstone (Mellor, unpublished)
9 = Saturated Granite (Mellor, unpublished)
H/D
x100
(M
pa)
Ensayo de compresin uniaxial
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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 32
Ensayo de compresin uniaxial
Efecto de escala
(Hoek and Brown, 1980)
Dimetro de la probeta, D (mm)
Si D50 mm:18,0
50
50
=
=
DDD UCSUCS
[ ]mm200,10D
Ensayo de carga puntual
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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 33
P: carga al momentode la falla
De: Distancia equivalente
entre puntos de cargaal momento de la falla
2e
SDPI =
Ensayo de carga puntual
Sugerencias (ISRM, 1985):
Al menos 10 ensayos (n) por muestra, ms si lamuestra es heterognea o anisotropica
Rotura ocurre entre 10-60 seg. de carga
Para calcular IS 50 promedio:
Si n>10 descartar los dos mayores y menores
Si n
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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 34
DiametralPDL 5,0>
DDe=
P
ADe
4=
WDA =
Axial
Bloque
WDW
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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 35
El Is debe ser corregido a un dimetro equivalente de 50 mm:
Factor de correccin (Brook, 1980)
SS IFI =
50
45,0
50
= eD
F
Ensayo de carga puntual
Ensayo de carga puntual
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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 36
La resistencia a la carga puntual IS ha sido correlacionadaempricamente con la resistencia a la compresin simple (UCS)
2D
PIS=
5024 SUCS I=
Ensayo de carga puntual
Valores tpicos:UCS
,tb
, E, , af, IS 50
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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 37
Valores tpicos:UCS
,tb
, E, , af, IS 50Roca tb
(MPa)
UCS
(MPa)
E
(GPa)
falla(%)
I s(50)
(MPa)
gneas Granito 7 25 100 300 30 70 0,17 0,25 5 15
Dolerita 7 30 100 350 30 100 0,10 0,20 0,30
Gabro 7 30 150 250 40 100 0,20 0,35 0,30 6 15
Riolita 5 10 80 160 10 50 0,20 0,40
Andesita 5 15 100 300 10 70 0,20 10 15
Basalto 10 30 100 350 40 80 0,10 0,20 0,35 9 15
Sedimentarias Conglomerado 3 10 30 230 10 90 0,10 0,15 0,16
Arenisca 4 25 20 170 15 50 0,14 0,20 1 8
Lutita 2 10 5 100 5 30 0,10Fangolta 5 30 10 100 5 70 0,15 0,15 0,1 6
Dolomita 6 15 20 120 30 70 0,15 0,17
Caliza 6 25 30 250 20 70 0,30 3 7
Metamrficas Gneiss 7 20 100 250 30 80 0,24 0,12 5 15
Esquisto 4 10 70 150 5 260 0,15 0,25 5 10Filita 6 20 5 150 10 85 0,26
Pizarra 7 20 50 180 20 90 0,20 0,30 0,35 1 9
Mrmol 7 20 50 200 30 70 0,15 0,30 0,40 4 12
Cuarcita 5 20 150 300 50 90 0,17 0,20 5 15
Martillo Schmidt
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Martillo Schmidt
Originalmente utilizado como ensayo no destructivo en concreto
Simple y econmico
Diversos tipos de martillos. El tipo L es recomendado por ISRM(1981) debido a su baja energa de impacto
Consiste en un pistn-resorte cargado
Cuando el martillo es presionado contra lasuperficie el vstago comprime el resorte
interno hasta el punto en que el mecanismoes gatillado, causando que el pistn sealiberado hacia el vstago impactando lasuperficie
Mide el rebote del pistn (Schmidt hardnessnumber, R) en la superficie de la roca y esconsiderado como un ndice de dureza dela superficie
(BasuandAydin,2004)
Martillo Schmidt
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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 39
DeereandMiller(1966)
El nmero de rebote ha sidocorrelacionado con UCS
Martillo Schmidt
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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 40
Valores tpicos:UCS
, IS 50, RL, martillo geolgico
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Grado UCS(MPa)
I s(50)
(MPa)
Rebote martilloSchmidt
(Type L - hammer)
Identificacin en terreno Ejemplos
R6Roca extremadamente fuerte
>250 >10 50-60 La muestra solo puede serastillada con el martillo geolgico
Basalto fresco, granito,diabase, diabase, gneis,cuarcita
R5Roca muy fuerte
100-250 4-10 40-50 La muestra requiere de muchosgolpes del martillo geolgico paraser fracturada
Anfibolita, arenisca, basalto,gabro, gneis, granodiorita,caliza, mrmol, toba
R4Roca fuerte
50-100 2-4 30-40 La muestra requiere ms de ungolpe del martillo geolgico paraser fracturada
Caliza, mrmol, filitas,arenisca, esquistos
R3Roca medianamente fuerte
25-50 1-2 15-30 No puede ser escarbada odisgregada por una cortaplumas,la muestra se fractura con un sologolpe firme del martillo geolgico
Arcillolita, carbn, concreto,esquistos, limolita
R2Roca dbil
5-25 **
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Convencional Celda Hoek
Esfuerzo
axial
Esfuerzo
lateral
Cmara triaxial
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Diploma GMM Diseo Minero U. de Chile / Ing. de Minas Octubre, 2011 43
Recomendaciones ISRM (1981), ASTM D7012 - 10: Almacenamiento de muestras < 30 das
Rotura ocurre entre 5 15 min. de carga
Tasa de carga: 0,5 1,0 MPa/s (roca dura)
La membrana debe ser lo suficientemente rgida de manera deprevenir la entrada de fluido hidrulico a la muestra
Al menos 5 confinamientos por tipo de roca en adicin a ensayo
uniaxiales La seleccin del nivel de confinamiento depende del tipo deproblema
Cmara triaxial
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Sugerencias para la seleccin de la presin de confinamiento:UCS < 100 MPa 100 Mpa < UCS < 150 MPa 150 Mpa < UCS < 200 Mpa
0,05 x UCS 0,05 x UCS 0,05 x UCS
0,10 x UCS 0,10 x UCS 0,10 x UCS0,20 x UCS 0,15 x UCS 0,15 x UCS0,30 x UCS 0,20 x UCS 0,20 x UCS
0,40 x UCS 0,30 x UCS 0,25 x UCS0,50 x UCS 0,40 x UCS 0,30 x UCS
0,35 x UCS
Al menos 5 probetas para cada presin de confinamiento
Obtener un nmero de probetas al menos un 10% mayor
Ej:
UCS = 100 MPa 33 probetas
Cmara triaxial
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[ ]
=
zzyzxz
yzyyxy
xzxyxx
z
x y
Esfuerzoaxial
Esfuerzolateral
===
===
xzyzxy
yyxx
zz
Cmara triaxial
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3
1
1 = 31 = -3
1) Se aplica un esfuerzo istropo (a=L)2.1) Carga (TC): L = cte. , a2.2) Descarga (TD): a = cte. , L
==
=
32
1
Triaxial en compresin:
Cmara triaxial
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3 = 0 3,5 35 100 MPa
Compresin triaxialMarmol Wonbeyan (Patterson and Wong, 2005)
Tipos de falla:
(a) Frgil por clivaje vertical(b) Frgil a lo largo de un plano de corte(c) Semi-dctil segn planos de corte
conjugadas(d) Dctil
Referencias
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