Influencia de la adición de ceniza de cáscara de arroz activada alcalinamente sobre la estabilización ecológica de la mezcla suelo sedimento en la provincia de virú

(1)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

“INFLUENCIA DE LA ADICIÓN DE CENIZA DE CÁSCARA DE ARROZ

ACTIVADA ALCALINAMENTE SOBRE LA ESTABILIZACIÓN ECOLÓGICA

DE LA MEZCLA SUELO - SEDIMENTO EN LA PROVINCIA DE VIRÚ”

Trabajo de Investigación

PARA OPTAR EL TÍTULO DE:

INGENIERO CIVIL

AUTORES:

ALVARADO RUIZ, Cinthya Vanessa

GUERRA MORILLO, Alfredo Carlos

ASESOR:

Ing. VÁSQUEZ ALFARO, Iván Eugenio

(2)

JURADO

___________________________________ PRESIDENTE

Mg. ALEX FABIÁN DÍAZ DÍAZ N° CIP……….…………..

___________________________________ SECRETARIO

Ing. FÉLIX GILBERTO PÉRRIGO SARMIENTO N° CIP……….…………..

___________________________________ ASESOR

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DEDICATORIA

A Dios

Por haber estado conmigo en cada momento de mi vida

A mis padres

Por su apoyo incondicional para salir adelante

A mi familia

Por creer siempre en mí

A mis profesores

Por todas las enseñanzas brindadas que servirán para la vida profesional

A mis amigos

Por los momentos compartidos a lo largo de la carrera universitaria

A mi compañero de tesis

Por todos los momentos que pasamos juntos para lograr este objetivo

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DEDICATORIA

Me permito transcribir este emotivo mensaje: “Que Dios, de quien procede la esperanza, llene de alegría y de paz su fe; y que el Espíritu

Santo, con su fuerza los colme de esperanza”, le agradezco por enseñarme a compartir con las personas una amistad sencilla, algo que me ha hecho tan feliz, y tengo fe que la costumbre de ayudar al prójimo

sea cada vez más sólida entre nosotros. Son muy significativas las emociones y expreso mi agradecimiento a ustedes: Miguel Narváez C. y

Samuel Rodríguez R., por mostrarme el significado que tienen las dos primeras líneas de este párrafo.

Este trabajo representa de alguna manera la formación académica recibida en aquel lugar donde comenzó su constante apoyo y la fuerza de su corazón “amaras a tu prójimo como a ti mismo”, que luego albergo al poeta peruano con mayor trascendencia en esta región, “son testigos los

días jueves y los huesos húmeros, la lluvia, los caminos…”, posteriormente apareció el noble libertador que destacó por su constante

lucha de nuestros derechos “ética y amor a tu patria”. Esta casa de estudios reinvento de la misma perspectiva mi atención por la educación

y los buenos valores, agradezco por tanto a los docentes, compañeros y personas que compartieron esta etapa de formación.

Es una respuesta constante brindar mi respeto y cariño a mi familia, les manifiesto que siempre me han colmado de apoyo y por eso le pido al señor mantenga firme su fe y dedicación. Finalmente dedico este texto a

mis amigos del deporte, a los compañeros de aprendizaje tanto del aspecto laboral como académico.

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AGRADECIMIENTO

Nos complace haber culminado este trabajo de investigación, por ello agradecemos a nuestra alma mater “La Universidad Nacional de Trujillo” porque nos ofreció un aprendizaje continuo, exigente, de trabajo en equipo, pero sobre todo nos demostró que el conocimiento académico nace del ser humano y se ejerce para servir al mismo. Agradecemos a la escuela profesional de ingeniería civil porque nos enseñó el valor de reponerse ante las dificultades, por eso ejerceremos esta profesión con responsabilidad, ética y satisfacción.

Agradecemos a los profesores de esta casa de estudios, particularmente al Dr. Hernán Alvarado Quintana por las enseñanzas y el tiempo brindado en el desarrollo de esta investigación, al Laboratorio de Cerámicos y Suelos de la Universidad Nacional de Trujillo por facilitarnos la disponibilidad de sus equipos para la realización de los ensayos correspondientes, resaltamos también la paciencia y preparación del Ing. Iván Eugenio Vásquez Alfaro durante la asesoría de este trabajo, valoramos mucho su desempeño y felicitamos su pasión por su labor como docente. Agradecemos a los compañeros de la escuela de ingeniería civil durante las prácticas de laboratorio en el curso de mecánica de suelos, cada sugerencia e inquietudes nos han permitido llevar a cabo con mayor facilidad la ejecución de los ensayos experimentales en la presente investigación, agradecemos también los consejos y recomendaciones del director de escuela el Mg. Alex Díaz Díaz, estamos convencidos que el desempeño académico y social de nuestra escuela contribuirá con el desarrollo del país.

(6)

RESUMEN

(7)

ABSTRACT

(8)

ÍNDICE GENERAL

DEDICATORIA ... i

AGRADECIMIENTO ... iii

RESUMEN ... iv

ABSTRACT ... v

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ... 1

1.1. Realidad problemática ... 1

1.2. Formulación del problema ... 5

1.3. Hipótesis ... 5

1.4. Justificación ... 5

1.5. Objetivos de investigación ... 7

CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO ... 8

2.1. Antecedentes ... 8

2.2. Bases teóricas ... 14

2.2.1. Suelos arenosos ... 14

2.2.2. Estabilización de suelos ... 15

2.2.3. Tipos de estabilización ... 16

2.2.4. Uso de la estabilización ... 19

2.2.5. Sedimentos de clarificación de aguas de riego ... 20

2.2.6. Ceniza de cáscara de arroz (CCA) ... 21

2.2.7. Hidratación del óxido de calcio proveniente del residuo calcáreo (RCCA) ... 22

2.2.8. Reacción puzolánica en la mezcla de cáscara de arroz y conchas de abanico ... 23

2.2.9. Parámetros del diseño de vías no pavimentadas de bajo volumen de tránsito ... 25

CAPÍTULO 3: MATERIAL Y MÉTODOS ... 30

3.1. Objeto de estudio ... 30

3.1.1. Universo ... 30

(9)

3.1.3. Muestra ... 30

3.1.4. Unidades de análisis ... 30

3.2. Métodos y técnicas ... 31

3.2.1. Diseño experimental ... 31

3.2.2. Estrategias de contrastación ... 32

3.3. Procedimiento experimental ... 33

CAPÍTULO 4: RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 46

4.1. Introducción ... 46

4.2. Caracterización de las materias primas ... 46

4.2.1. Análisis granulométrico y Límites de Atterberg del suelo ... 46

4.2.2. Análisis granulométrico y límites de Atterberg del sedimento ... 49

4.2.3. Composición física y química de la ceniza de cáscara de arroz ... 51

4.2.4. Composición física y química de cal por calcinación de conchas de abanico ... 54

4.3. Determinación de la óptima proporción suelo-sedimento ... 55

4.3.1. Compactación con proctor modificado de la mezcla suelo - sedimento ... 55

4.3.2. Efecto en los límites de Atterberg de la mezcla suelo-sedimento ... 58

4.3.3. Selección de la proporción óptima suelo-sedimento por ensayo CBR ... 58

4.4. Compactación a diferentes porcentajes de ceniza y RCCA ... 59

4.5. Índice CBR a diferentes porcentajes de ceniza y RCCA ... 62

4.6. Compresión no confinada a diferentes porcentajes de ceniza y RCCA ... 64

4.7. Resistencia al corte triaxial UU de la mezcla con mejor dosificación de estabilizantes .. 66

4.8. Espesor factible de la capa de rodadura por el método NAASRA. ... 71

CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 74

5.1. Conclusiones ... 74

5.2. Recomendaciones ... 75

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 76

APÉNDICE ... 79

(10)

APÉNDICE B.Caracterización física ... 81

APÉNDICE C.Resultados de proctor ... 83

APÉNDICE D.Resultados de CBR ... 88

APÉNDICE E.Resultados de compresión no confinada a 7 días ... 93

APÉNDICE F.Resultados de compresión no confinada a 14 días ... 98

APÉNDICE G.Resultados de compresión triaxial UU a 30 días ... 103

APÉNDICE H.Estadística de proctor ... 107

APÉNDICE I.Estadística de CBR ... 108

APÉNDICE J.Estadística de compresión no confinada a 7 días ... 109

APÉNDICE K.Estadística de compresión no confinada a 14 días ... 110

APÉNDICE L.Estadística de compresión triaxial UU a 30 días ... 111

APÉNDICE M.Análisis de los resultados estadísticos ... 112

ANEXOS ... 114

ANEXO A. Panel fotográfico ... 115

(11)

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1 Clasificación de suelos según tamaño de partículas ASTM D422 ... 14

Tabla 2.2 Composición química y propiedades físicas de diferentes cenizas de cáscara de arroz .. 22

Tabla 2.3 Componentes de la reacción puzolánica de la investigación ... 24

Tabla 2.4 Clasificación del tráfico proyectado al año ... 26

Tabla 2.5 Número de repeticiones EE para para un eje simple cargado con 8.2 ton ... 26

Tabla 2.6 Categorías de subrasante de acuerdo al valor del CBR ... 27

Tabla 2.7 Granulometría por cada tipo de afirmado ... 29

Tabla 3.1 Dimensionamiento de las probetas ... 31

Tabla 3.2 Variables de estudio ... 31

Tabla 3.3 Matriz de diseño experimental ... 32

Tabla 3.4 Guía de observación para contenido de humedad ... 34

Tabla 3.5 Guía de observación para análisis granulométrico por tamizado ... 35

Tabla 3.6 Guía de observación para análisis granulométrico por hidrómetro ... 36

Tabla 3.7 Guía de observación para Límite Líquido ... 37

Tabla 3.8 Guía de observación para Límite plástico ... 38

Tabla 3.9 Guía de observación para proctor estándar ... 40

Tabla 3.10 Guía de observación para CBR ... 42

Tabla 3.11 Guía de observación para la resistencia a la compresión no confinada... 43

Tabla 3.12 Guía de observación para resistencia a la compresión triaxial UU ... 44

Tabla 4.1 Análisis Granulométrico, Límites de Atterberg y Propiedades Físicas del Suelo ... 47

Tabla 4.2 Análisis granulométrico, propiedades físicas y límites de Atterberg del sedimento ... 49

Tabla 4.3 Resultados de espectroscopía de absorción atómica ... 51

Tabla 4.4 Análisis EDS de residuos de conchas de abanico sin calcinar y calcinado ... 54

Tabla 4.5 Valores de densidad seca máxima y humedad óptima de las mezclas ... 56

Tabla 4.6 Índice CBR (56 golpes) de la mezcla suelo-sedimento ... 59

Tabla 4.7 Diseño experimental para diferentes porcentajes de CCA y RCCA ... 59

(12)

Tabla 4.9 Índice CBR (56 golpes) para diferentes porcentajes de ceniza y residuo calcáreo ... 62

Tabla 4.10 Resistencia a la compresión no confinada (kg/cm2_{) con curado de 7 días ... 64}

Tabla 4.11 Resistencia a la compresión no confinada (kg/cm2_{) con curado de 14 días ... 65}

Tabla 4.12 Resumen de resultados del ensayo triaxial UU ... 67

Tabla 4.13 Espesor de la capa subrasante por el método USACE ... 72

Tabla 4.14 Cálculo del espesor de la capa de rodadura por el método NAASRA ... 73

Tabla A.1 Presupuesto para estabilización con emulsión asfáltica ... 80

Tabla B.1 Caracterización física del suelo ... 81

Tabla B.2 Caracterización física del sedimento ... 82

Tabla C.1 Resultados de proctor estándar a11 (suelo + 35% sedimento) ... 83

Tabla C.2 Resultados de Proctor Estándar a22 (SS+1% RCCA+4% CCA) ... 83

Tabla C.5 Resultados de Proctor Estándar a32 (SS+1.5% RCCA+4% CCA) ... 85

Tabla D.1 Resultados de CBR de probeta a22 (SS+1%RCCA+4%CCA) ... 88

Tabla D.4 Resultados de CBR de probeta a32 (SS+1.5%RCCA+4%CCA) ... 89

(13)

Tabla E.1 Resultados de compresión no confinada de a22 (SS+1%RCCA+4%CCA) ... 93

Tabla E.2 Resultados de compresión no confinada de a23 (SS+1%RCCA+6%CCA) ... 93

Tabla E.3 Resultados de compresión no confinada de a24 (SS+1%RCCA+8%CCA) a 7 días ... 94

Tabla E.4 Resultados de compresión no confinada de a32 (SS+1.5%RCCA+4%CCA) a 7 días .... 94

Tabla F.1 Resultados de compresión no confinada de a22 (SS+1%RCCA+4%CCA) a 14 días ... 98

Tabla F.4 Resultados de compresión no confinada de a32 (SS+1.5%RCCA+4%CCA) a 14 días .. 99

Tabla F.5 Resultados de compresión no confinada de a33 (SS+1.5%RCCA+6%CCA) a 14 días 100 Tabla F.6 Resultados de compresión no confinada de a34 (SS+1.5%RCCA+8%CCA) a 14 días 100 Tabla F.7 Resultados de compresión no confinada de a42 (SS+2%RCCA+4%CCA) a 14 días ... 101

Tabla H.1 Análisis de varianza de dos factores de proctor ... 107

Tabla I.1 Análisis de varianza de dos factores de CBR ... 108

Tabla J.1 Análisis de varianza de dos factores de compresión no confinada a 7 días ... 109

Tabla K.1 Análisis de varianza de dos factores de compresión no confinada a 14 días ... 110

Tabla L.1 Análisis de varianza de un factor de triaxial UU a 30 días ... 111

(14)

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Suelos arenosos en la provincia de Virú ... 1

Figura 1.2 Pozas de sedimentación en la empresa Agualima S.A.C. ... 2

Figura 1.3 Ceniza de cascarilla de arroz de la Ladrillera Fortes ... 4

Figura 1.4 Residuos de la industria de conchas de abanico de la empresa Acuapesca ... 5

Figura 2.1 Estructura simple en estado suelto y curva de compactación de las arenas ... 14

Figura 2.2 Panorama de suelos arenosos en campos agrícolas de Virú ... 15

Figura 2.3 Distribución de esfuerzos en una estabilización mecánica y química ... 15

Figura 2.4 (a) Parábola de Fuller (b) Cantidad de finos sobre densidad y CBR ... 16

Figura 2.5 Mejoramiento de una vía por estabilización mecánica ... 17

Figura 2.6 Diagrama cuaternario de compuestos cementantes ... 18

Figura 2.7 Composición estructural Linear, planar y 3D de compuestos cementantes ... 19

Figura 2.8 Descripción esquemática de la activación alcalina en una ceniza volante ... 19

Figura 2.9 Riego por goteo en los campos agrícolas de CHAVIMOCHIC ... 20

Figura 2.10 Pozas de clarificación de aguas de riego CHAVIMOCHIC ... 21

Figura 2.11 Diagrama de materiales puzolánicos ... 24

Figura 2.12 Etapas de la reacción de la solución de hidróxido de calcio y puzolana ... 25

Figura 2.13 Determinación de espesor de capa de revestimiento granular ... 28

Figura 3.1 Selección del método de análisis de datos ... 32

Figura 3.2 Selección del instrumento de análisis de datos ... 32

Figura 3.3 Diagrama de flujo del procedimiento experimental... 33

Figura 4.1 Curva granulométrica del suelo en estudio comparado con un suelo bien graduado ... 48

Figura 4.2 Curva granulométrica del sedimento ... 50

Figura 4.3 Microscopía electrónica de barrido (SEM) de la ceniza de cascarilla de arroz ... 52

Figura 4.4 Análisis EDS de ceniza de cascarilla de arroz ... 52

Figura 4.5 Análisis térmico gravimétrico TGA de la ceniza de cáscara de arroz ... 53

Figura 4.6 Fotografías SEM de residuos de conchas de abanico sin calcinar y calcinado ... 54

(15)

Figura 4.8 Curvas de compactación del suelo natural y de las mezclas suelo-sedimento ... 56

Figura 4.9 Resumen de valores de compactación en las mezclas suelo-sedimento ... 57

Figura 4.10 Variación del índice de plasticidad con diferentes porcentajes de sedimento ... 58

Figura 4.11 Densidad seca (g/cm3_{) para diferentes % de RCCA y % CCA ... 61}

Figura 4.12 Índice CBR a 0.2’’ para diferentes porcentajes de CCA Y RCCA ... 63

Figura 4.13 Resistencia a la compresión no confinada en muestras curadas a 7 y 14 días ... 65

Figura 4.14 Máximo esfuerzo cortante a diferentes % de CCA y 2% de RCCA ... 68

Figura 4.15 Esfuerzo desviador-deformación a diferentes % de CCA con 2% RCCA ... 69

Figura 4.16 Circulo de Mohr y curva esfuerzo-deformación de la mejor mezcla suelo-sedimento 70 Figura 4.17 Circulo de Mohr y curva esfuerzo-deformación de S-S con 8% CCA y 2% RCCA ... 70

Figura 4.18 Características del terreno natural... 71

Figura 4.19 Propuesta de pavimento para la aplicación de la estabilización estudiada ... 72

Figura 4.20 Estructura de pavimento (a) Espesores sugeridos (b) Recomendación a evaluar ... 73

Figura A.1 Presupuesto base por metro cúbico en los campos agrícolas de Virú ... 80

Figura E.1 Resultados de compresión no confinada de a22 y a23 respectivamente ... 93

Figura E.2 Resultados de compresión no confinada de a24 y a32 respectivamente a 7 días ... 94

Figura E.3 Resultados de compresión no confinada de a33 y a34 a 7 días ... 95

Figura E.4 Resultados de compresión no confinada de a42 y a43 a 7 días ... 96

Figura E.5 Resultados de compresión no confinada de a44 a 7 días ... 97

Figura F.1 Resultados de compresión no confinada de a22 y a23 respectivamente a 14 días ... 98

Figura F.5 Resultados de compresión no confinada de a44 a 14 días ... 102

Figura G.1 Resultados de ensayo triaxial UU suelo-sedimento sin adiciones estabilizadoras ... 103

Figura G.2 Resultados de ensayo triaxial UU suelo-sedimento + 4% CCA + 2% RCCA ... 104

Figura G.3 Resultados de ensayo triaxial UU suelo-sedimento + 6% CCA + 2% RCCA ... 105

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Figura A.1 Preparación de la ceniza y concha de abanico. ... 115

Figura A.2 Caracterización de la materia prima ... 116

Figura A.3 Ensayo Proctor Estándar según norma ASTM D – 698... 117

Figura A.4 Ensayo de Compresión No confinada según norma ASTM D – 2166 ... 118

Figura A.5 Ensayo CBR según norma ASTM D – 1883 ... 119

Figura A.6 Ensayo de Corte Triaxial UU según norma ASTM D – 7181 (Parte 1) ... 120

Figura A.7 Ensayo de Corte Triaxial UU según norma ASTM D – 7181 (Parte 2) ... 121

Figura B.1 Norma para análisis granulométrico de suelos ASTM D 422 ... 122

Figura B.2 Norma para límites de Atterberg ASTM D 4318 ... 123

Figura B.3 Norma para clasificación de suelos SUCS ASTM D 2487 ... 124

Figura B.4 Norma para gravedad específica de los sólidos ASTM D 854 ... 125

Figura B.5 Ensayo de índice de densidad máxima para suelos granulares ASTM D 4253 ... 126

Figura B.6 Norma para ensayo de proctor estándar ASTM D 689 ... 127

Figura B.7 Norma para ensayo de proctor modificado ASTM D 1557 ... 128

Figura B.8 Norma para capacidad de soporte de los suelos CBR ASTM D 1883 ... 129

Figura B.9 Norma para ensayo de compresión no confinada de los suelos ASTM D 2166 ... 130

Figura B.10 Manual de operación y explicación de corte en el ensayo triaxial ASTM D 4767 ... 131

Figura B.11 Interface del software utilizado en el ensayo triaxial ASTM D 4767 ... 132

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CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

1.1. Realidad problemática

El suelo en general es el sustento de los pavimentos, los edificios y las cimentaciones, por ello existen diferentes investigaciones y normas que buscan establecer su mejor desempeño. En particular, los suelos arenosos son mecánicamente inestables, de manera que cuando se plantea construir vías o caminos en este tipo de superficies, se opta por reemplazar el suelo y seguir técnicas tradicionales que utilizan material preparado en canteras, sin embargo su aplicación resulta poco viable cuando además de tener un bajo volumen de tránsito, las condiciones son como las que se exponen a continuación.

En la provincia de Virú, departamento La Libertad, el terreno es mayoritariamente un desierto, sin embargo en las dos últimas décadas debido al proyecto Chavimochic se han habilitado inmensas áreas agrícolas que se han convertido en extensos campos de cultivo impulsados por la inversión agroindustrial. Actualmente estas zonas agrícolas se encuentran interconectadas por un precario sistema vial compuesto por caminos arenosos intransitables. Se observa que cuando los vehículos de transporte y carga transitan por estos caminos se presentan hundimientos, ahuellamientos pronunciados, así como levantamiento de polvo, lo cual ocasiona dificultad en el acceso, además de un retraso en la productividad para el transporte de los productos. Este problema ocasiona insatisfacción tanto en la población residente como en los trabajadores que laboran en los campos agroindustriales. No obstante, esta no es la única problemática observada en la zona.

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Además, a causa de que el riego en los campos agrícolas es por goteo, las empresas agroindustriales se ven en la necesidad de clarificar sus aguas de riego en pozas de sedimentación, de lo contrario se obstruirían las tuberías, pero esto genera el almacenamiento de aproximadamente 8000 a 12000 m3_{de sedimento por poza anualmente, que en los meses} críticos de lluvia en la sierra de nuestro país hacen colapsar dichas estructuras (Mendoza P. y Vizconde H., 2008). La acumulación excesiva de estos sedimentos, constituido principalmente por arenas finas, limos y arcillas, generan un alto impacto ambiental, contaminando el paisaje y ocasionando botaderos innecesarios que acaparan grandes espacios de terreno.

Figura 1.2 Pozas de sedimentación en la empresa Agualima S.A.C.

Por ello es necesario encontrar una aplicación útil que consiga dar un valor agregado al sedimento en la solución de otros problemas, como es el caso de la estabilización de suelos arenosos, su utilización disminuiría los vacíos que presenta el terreno arenoso ya que se trata de un material cohesivo con partículas de diferente diámetro, de esta manera mejoraría la compactación de la mezcla obtenida. Sin embargo, solamente se lograría aliviar parcialmente el problema de la resistencia mecánica y durabilidad, siendo necesario aplicar otras técnicas de estabilización.

En la actualidad se viene estudiando activamente alternativas ecológicas en la que se utilizan estabilizadores naturales o residuos industriales. A continuación, se presentan algunas investigaciones que dan solución al problema de inestabilidad de suelos con características similares al lugar de estudio desde una perspectiva sostenible.

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en dichas propiedades si lo comparamos con el suelo no tratado que alcanzaron valores de 591 KN/m2_{(a 28 días de curado) y 7% de CBR (sumergido en agua).}

Además, en Uruguay, Behak L. y Peres N. (2008) encontraron que la estabilización ecológica del suelo arenoso se puede realizar a través de un producto cementante formado cuando reaccionan los iones de calcio de la cal con la sílice amorfa de la ceniza de cascarilla de arroz. Asimismo, observaron a los 28 días de curado un importante aumento del CBR de la mezcla de suelo con 20% de ceniza de cascarilla de arroz y 10% de cal respecto al suelo natural.

En el Perú, Perez C. (2012) estudió el efecto que produce la adición de cenizas volantes de carbón, residuo de la planta termoeléctrica de Ilo, en un suelo arcilloso para su uso en obras de pavimentación. Comprobó que la mezcla de ceniza volante con el suelo arcilloso presenta un mejor comportamiento que el suelo puro. Concluyó que existe viabilidad técnica, económica y ambiental para emplear dicha ceniza volante como estabilizador ecológico del suelo.

En Virú, no se han encontrado trabajos de investigación sobre estabilización ecológica o natural de suelos, sin embargo sí se ha encontrado un trabajo de estabilización en un tramo de carretera realizado por la empresa Liplata, RUC 20513574691, en donde se ha utilizado cloruro de magnesio 250+ en forma líquida, la cual permite una mejora en las propiedades del afirmado, dándole mayor estabilidad estructural y resistencia a la tracción, controlando la emisión de polvo y reduciendo el deterioro superficial.

En cuanto a la normatividad vigente, la institución que regula el área de suelos, pavimentos y sus estabilizaciones es el Ministerio de Transportes y Comunicaciones, que ha publicado la Norma técnica de estabilizadores químicos (MTC E 1109, 2004) y el Ministerio de Construcción, Vivienda y Saneamiento que ha publicado las el Reglamento Nacional de Edificaciones el cual contiene las Normas de Pavimentos Urbanos (RNE CE.010, 2010) y de Estabilización de Suelos y Taludes (RNE CE.020, 2012). Asimismo, cabe resaltar que las normas anteriormente mencionadas están basadas a su vez en las Normas Técnicas Peruanas (NTP), las normas de la Asociación Americana de Oficiales de Carreteras Estatales y Transportes (AASHTO) y las normas de la Asociación Americana de Ensayo de Materiales (ASTM).

(20)

y la utilización de la biomineralización para el mejoramiento de los suelos para obras de pavimentación (subrasante y/o sub base) y caminos rurales.

Actualmente en la región La Libertad también podemos encontrar empresas que generan residuos industriales con las propiedades antes mencionadas, su utilización ha sido materia de estudio en investigaciones con aplicación en adobes estabilizados y bionanofiltros; la problemática observada de estos residuos se describe en los siguientes párrafos.

Para la producción de ladrillos en la provincia de Trujillo, algunas empresas utilizan cascarilla de arroz como combustible en los quemadores de los Hornos Hoffman, que acumulan grandes cantidades de ceniza ocasionando un alto impacto ambiental. La ceniza de cascarilla de arroz (CCA) es un residuo obtenido de su proceso de combustión que tiene propiedades puzolánicas cuando se obtiene en condiciones controladas. Cada tonelada de arroz produce aproximadamente 200 kg de cascarilla, de los cuales quedan aproximadamente 50 kg de ceniza tras su combustión (Juliano, B., 1985), con un contenido de sílice de más del 90% (Ordóñez, 2007), la que al combinarse con la cal forma silicatos de calcio hidratados, conglomerante que daría resistencia y estabilidad a los suelos.

Figura 1.3 Ceniza de cascarilla de arroz de la Ladrillera Fortes

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Figura 1.4 Residuos de la industria de conchas de abanico de la empresa Acuapesca

Para mejorar la capacidad de soporte y durabilidad de los caminos agrícolas se plantea una estabilización química que aproveche estos residuos industriales buscando alcanzar valores aceptables de resistencia generando vías de conexión que mejoran la calidad de vida de sus habitantes.

Finalmente, esta investigación propone evaluar si la adición de ceniza de cascarilla de arroz activada alcalinamente mejora la compactación, capacidad de soporte y resistencia al corte triaxial de la mezcla suelo sedimento. La estabilización ecológica presentada se aplicará también en el diseño del espesor de la capa de rodadura, de esta manera se busca mejorar las vías no pavimentadas de acceso a los campos agrícolas en la provincia de Virú de una manera económica y sostenible.

1.2. Formulación del problema

¿Cómo influye la adición de ceniza de cáscara de arroz activada alcalinamente sobre la estabilización ecológica de la mezcla suelo-sedimento en la provincia de Virú?

1.3. Hipótesis

La adición de ceniza de cáscara de arroz activada alcalinamente mejora la estabilización ecológica de la mezcla suelo-sedimento en la provincia de Virú.

1.4. Justificación

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estudio favorecerá a las condiciones físicas y mecánicas del terreno, lo que permitirá brindar comodidad en las personas y a la vez facilitará la salida de los productos ofertados.

La investigación propone utilizar sedimentos (material cohesivo) generados por las empresas agroindustriales, ceniza de cáscara de arroz (CCA) que es un subproducto en la producción de ladrillos y un activador alcalino como el residuo calcáreo de conchas de abanico (RCCA). La utilización de estos residuos beneficiará al medio ambiente, puesto que se dará valor agregado y utilización, tanto a los sedimentos de clarificación de aguas de riego que hoy en día botan y acumulan generando un alto impacto ambiental, como a los residuos con propiedades cementantes que continúan siendo materia de estudio en otras áreas para diversas aplicaciones, como por ejemplo los bionanofiltros y los geopolímeros. Esta alternativa busca dar una solución ecológica al problema de la estabilización.

Así mismo esta investigación generará expectativa y discusión tanto sobre el conocimiento existente del área investigada, como dentro del ámbito ingenieril, porque se confrontan teorías como los mecanismos de endurecimiento de sedimentos a través de la activación alcalina frente a los de materiales tradicionales, tales como son el cemento y cal. De este modo, se logrará mejorar las propiedades de los suelos arenosos inestables que con ensayos basados en la teoría de Terzaghi demuestran tener baja capacidad portante.

De este modo la aplicación de los resultados encontrados puede ayudar a mejorar la actividad económica de la zona, interconectando los centros agroindustriales de la provincia de Virú mediante una red que favorecerá disminuyendo los tiempos para ir de un lugar a otro, conservando mejor los vehículos y aumentando la productividad de las agroindustrias de una manera sostenible.

Igualmente esta investigación generará un conocimiento válido y confiable de los resultados de la utilización de sedimentos activados alcalinamente en la estabilización de suelos arenosos. Por consiguiente, la fortaleza de la investigación es dar un valor agregado a los sedimentos, no solo a los de la provincia de Virú, sino también a los sedimentos de otros lugares como los del proyecto especial Chinecas en Ancash, Majes-Siguas u Olmos en Lambayeque, en la que se han ejecutado o que se ejecutarán proyectos de irrigación similares a los de Chavimochic. Esta innovación, del uso de sedimentos activado alcalinamente en la estabilización ecológica de suelos arenosos, permitirá beneficiar al sector constructivo y de transporte, y en especial a los habitantes y empresas donde se generen este tipo de sedimentos.

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universidades, información sobre nuevas formas de estabilización de suelos, la cual contribuirá a tener mayor conocimiento sobre la mejora de las propiedades de los suelos arenosos de una manera natural y sostenible. Esta investigación también podría ser tomada como un antecedente para tesis relacionadas a la activación alcalina de cenizas aplicadas a la estabilización de suelos.

1.5. Objetivos de investigación

Objetivo general

• Determinar la influencia de la adición de ceniza de cáscara de arroz activada alcalinamente sobre la estabilización ecológica de la mezcla suelo-sedimento en la provincia de Virú.

Objetivos específicos

• Caracterizar física y químicamente el suelo, el sedimento obtenido de clarificación de aguas de riego de Virú y las adiciones estabilizantes.

• Establecer la mejor combinación de suelo arenoso y sedimento cohesivo a partir del grado de empaquetamiento definido en su curva de compactación.

• Evaluar la compactación, capacidad de soporte CBR y resistencia a la compresión no confinada de las probetas suelo-sedimento estabilizadas con ceniza de cáscara de arroz activada alcalinamente con residuo calcáreo de conchas de abanico.

• Determinar el mejor porcentaje de adición de ceniza de cáscara de arroz activada alcalinamente sobre la mejor combinación de suelo-sedimento.

• Estudiar el comportamiento a la compresión no drenada de la mejor dosificación de estabilizantes según el ensayo de compresión triaxial UU.

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CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO

2.1. Antecedentes

Morales Z. (2015), en la tesis titulada “Valorización de las cenizas de carbón para la

estabilización de suelos mediante activación alcalina y su uso en vías no pavimentadas”

realizada en Colombia, tuvo como objetivo evaluar el efecto del método de curado en el comportamiento mecánico de mezclas de suelo adicionadas con ceniza de carbón y activadas alcalinamente; con el fin de determinar las mejores condiciones para su uso en vías no pavimentadas. Para ello elaboraró probetas mezclando por separado suelos de arcilla, arenilla y Urrao con 7, 14 y 21 % de ceniza de carbón activados con soluciones de NaOH y con un tiempo de curado de 7 días realizó los ensayos de proctor modificado y de resistencia a la compresión no confinada. Identificó los factores que más influyen sobre la variable respuesta en cada uno de los suelos. Realizó una comparación entre los resultados obtenidos por los diferentes tipos de suelos y las dosificaciones de ceniza de carbón utilizadas en el estudio, además determinó la influencia del tipo de activador alcalino que utilizó. Encontró como resultado que la ceniza de carbón para mezclarse con los suelos de arenilla, arcilla y Urrao debe ser tamizada por malla N° 100 o mayor y que se debe usar hidróxido de sodio en solución como activador alcalino a una concentración cercana a 8 molar para obtener un material cementante con características comparables con la norma del Instituto Nacional de Vías de Colombia (INVIAS) Artículo 350.4.1. Los resultados de proctor indicaron que el suelo tipo arenilla disminuyó considerablemente su densidad al ser mezclado con 21% de ceniza de carbón (de 2.01 g/cm3_{a 1.74 g/cm}3_{), a diferencia de las muestras de arcilla y Urrao} que solo disminuyeron ligeramente (de 1.47 g/cm3_{a 1.42 g/cm}3_{en promedio). Por otra parte} los resultados de resistencia se vieron influenciados por la temperatura de curado y no por la activación con hidróxido de sodio, ya que las muestras con ceniza y agua alcanzaron la mejor resistencia (8.26 kg/cm2_{) a una temperatura de 40°C, en cambio las mezclas con porcentajes} de hidróxido de sodio tuvieron un máximo valor de 4.97 kg/cm2_{a temperatura ambiente. El} aporte de esta tesis a la presente investigación es fundamentar que: la facilidad de disolución del silicio de la ceniza de carbón aumenta con la disminución del tamaño de esta y con la concentración de la solución activadora. Además, la molienda a tamaños muy finos aumenta la amorficidad lo que facilita la disolución del silicio y por ende mejora la resistencia.

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residual estabilizada con ceniza volante (FA) activada alcalinamente, considerándolo como un reemplazo para aplicaciones suelo-cemento, es decir, bases y subbases, para infraestructuras de transporte. Se moldearon probetas de mezclas de suelo, FA y un activador alcalino hecho de hidróxido de sodio y silicato de sodio, tres tipos de mezclas activadas alcalinamente fueron estudiadas, con porcentajes de FA de 15%, 20% y 25 %. En adición, probetas con la misma relación suelo/ceniza y una fase líquida solamente (agua); fue también, fabricada para propósitos de comparación. Se realizaron ensayos de compresión uniaxial mostrando que la resistencia se incrementa altamente por la adición de este nuevo ligante. Los resultados describen un material con alta rigidez, con una reducción de volumen inicial seguida por una significativa dilatación. La evolución de la microestructura durante el curado, responsable del comportamiento mecánico, fue observado con el microscopio electrónico de barrido (SEM). La principal diferencia entre ambos ligantes fueron los tiempos de curado, mostrando un incremento de la resistencia de larga duración y más progresiva con las probetas activadas alcalinamente. El aporte de este artículo científico a la presente investigación es el fundamento de que es factible que los suelos arenosos limosos suaves puedan ser estabilizados mediante procesos de activación alcalina con la diferencia de que la velocidad de curado en ellos es más lenta porque su resistencia se incrementa a largo plazo y puede superar a los estabilizados con cemento común. Resaltando que estos nuevos ligantes, activados alcalinamente, son más ecológicos y sostenibles.

Hesham A. (2006), en la tesis titulada “Treatment and improvement of the geotechnical

properties of different soft fine-grained soils using chemical stabilization” realizada en

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densidad seca máxima de 1.48 g/cm3_{, mientras que con el mayor porcentaje de adiciones} evaluadas se obtuvo un IP de 14 y densidad seca máxima de 1.37 g/cm3_{. En cuanto a los} valores de compresión no confinada, CBR y resistencia axial incrementaron con la aplicación de estabilizantes químicos. La máxima resistencia a la compresión no confinada a 7 días de curado fue de 8.88 kg/cm2_{la que aumento a 13.75 kg/cm}2_{a los 28 días (con 2% de cal y 20%} de ceniza), por otro lado el índice CBR incrementó considerablemente resultado el máximo valor de 103 con la misma dosificación, el suelo originalmente presento un resistencia a la compresión no confinada e índice CBR de 1.34 kg/cm2_{y 3.2 respectivamente. Finalmente la} máxima resistencia axial fue de 14.28 kg/cm2_{que se alcanzó con una deformación de 1.35%} a los 56 días de curado. La adición de ceniza volante-cal puede ser utilizada como estabilizante de los suelos finos debido a las reacciones de hidratación que se desarrollaron en las mezclas evaluadas representado una alternativa más económica que el cemento Portland.

Quintana C. (2005), en la tesis titulada “Relación entre las propiedades geotécnicas y los

componentes puzolánicos de los sedimentos pampeanos” realizada en Argentina, tuvo

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orden del CBR máximo, oscilando entre 85% para el molde sometido a una altura de caída de 5 mm y 94% para el molde con altura de caída de 10 mm. La vibración actuó amasando ligeramente la mezcla, que debido al confinamiento y curado en cámara húmeda, se comportó plásticamente, lo cual pudo observarse por un asentamiento de las sobrecargas y la ausencia de fisuras.

Cristelo G. y otros (2013), en el artículo científico titulado “Effects of alkaline-activated fly

ash and Portland cement on soft soil stabilization” tuvieron como objetivo evaluar el efecto

de los activadores alcalinos basados en sodio y de la ceniza volante clase F en la estabilización de un suelo arenoso de baja plasticidad, para las probetas activadas alcalinamente (AA) se utilizaron concentraciones de hidróxido de sodio de 10, 12.5 y 15 molal, con relaciones activador/ceniza entre 1 y 2.5 y porcentajes de cenizas de 20, 30 y 40%, relativo al total de sólidos (suelo + ceniza). Como resultado obtuvieron la resistencia a la compresión no confinada (USC) a períodos de curado de 7, 28, 90 y 365 días y lo compararon con la del ligante basado en cemento común. Determinaron que la resistencia se incrementa con la disminución de la relación activador/ceniza (hasta un máximo de 43.4 MPa). La USC de las muestras AA y de cemento, a 28 días de curado, fueron muy similares. Sin embargo, los resultados de la muestra AA demostraron estar sólo entre 20 y 40 % de la USC máxima obtenida a 1 año de curado, mientras que los resultados de las muestras de cemento a 28 días se espera que estén entre 80 y 90 % de su máximo de resistencia. El aporte de este artículo científico realizado en Portugal a la presente investigación es el fundamento de que la estabilización de un suelo arenoso depende principalmente de la relación activador/ligante y del tiempo de curado. Asimismo, de que la activación alcalina de cenizas de bajo calcio puede ser utilizado como un ligante alternativo al cemento Portland en la estabilización de suelos arenosos.

Rios, Ramos, Viana da Fonseca, Cruz y Rodrigues (2016), en el artículo científico titulado

“Colombian Soil Stabilized with Geopolymers for Low Cost Roads”, tuvieron como

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resistencia a la compresión no confinada (USC) y se midieron con un transductor ultrasónico que es un ensayo no destructivo del concreto en donde se obtienen los tiempos de propagación de ondas sísmicas (ondas P y S) para evaluar la rigidez de las diferentes mezclas. Se determinó que la resistencia y la rigidez se incrementa significativamente por este tratamiento en la medida que se mide la resistencia por ensayos USC y la rigidez elástica por medidas de ondas sísmicas. Las resistencias tempranas más bajas fueron mayores que 1 MPa a 7 días de curado; la resistencia a la inmersión fue satisfactoria puesto que las probetas curadas bajo agua 32 días después de 28 días de curado normal presentan aproximadamente la misma resistencia que las probetas que siguieron un curado normal durante 60 días. El aporte de este artículo científico realizado por investigadores de Portugal en suelo de Colombia a la presente investigación es el sustento para establecer la posibilidad de utilizar materiales residuales en lugar del Cemento Portland en la estabilización de suelos utilizando como alternativa geopolímeros sintetizados de materiales residuales y soluciones alcalinas, muy importantes para reducir la huella de carbono en las técnicas de mejoramiento de suelos. Asimismo, introduce métodos de ensayos no destructivos como el empleo de transductores de ultrasonido.

Córdova F. (2016), en la tesis titulada “Estabilización de un suelo con napa freática alta

utilizando cal obtenida por calcinación de residuos calcáreos de conchas de abanico”,

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ayudaría a reducir el impacto ambiental que viene dándose en la acumulación de estos residuos.

Cañar T. (2017) realizó la tesis titulada “Análisis comparativo de la resistencia al corte y

estabilización de suelos arenosos finos y arcillosos combinadas con ceniza de carbón” en

(30)

2.2. Bases teóricas

2.2.1. Suelos arenosos

Los suelos arenosos son materiales de grano fino que proceden de la erosión de las rocas cuyo diámetro promedio es la décima parte de un centímetro, presentan un comportamiento en el que, si se le aplica carga en su superficie, se comprimen casi de manera inmediata. Existen diferentes tipos de arenas según el tamaño de sus partículas: las arenas gruesas son las que pasan la malla de 2 mm y son retenidas por otra de 0.2 mm, mientras que las arenas finas son las que pasan por la malla de 0.2 mm y son retenidas por otra de 0.05 mm, en la Tabla 2.1 se resumen estas características.

Tabla 2.1 Clasificación de suelos según tamaño de partículas ASTM D422 (MTC, 2013) Tipo de material Tamaño de partículas

Grava 75 mm – 2 mm

Arena Arena gruesa: 2 mm – 0.2 mm Arena fina: 0.2 mm – 0.05 mm

Limo 0.05 mm – 0.005 mm

Arcilla Menor a 0.005 mm

Debido al tamaño y peso de las partículas de arena predominan las fuerzas gravitacionales, conformando así una estructura simple. Presentan también baja compacidad, tienen un gran volumen de vacíos y su capacidad de deformación es muy alta.

Figura 2.1 Estructura simple en estado suelto y curva de compactación de las arenas (Africa Community Access Programme - AFCAP, 2013)

En el departamento la Libertad, Perú, los suelos arenosos que ocupan las principales zonas agrícolas se extienden de sur a norte desde el distrito de Chao, Virú, Moche al valle de Chicama. La provincia de Virú presenta un tipo de suelo franco arenoso con un clima sub-tropical y árido siendo la temperatura media anual entre 18ºC y 26ºC. La precipitación es muy baja y se considera inferior a 50 mm/año, de igual manera la humedad es baja pudiéndose aceptar que se encuentra entre 70% y 80%. Los vientos son muy fuertes obligando a los agricultores en algunos casos a emplear cortinas de protección para sus cultivos (Municipalidad Provincial de Virú, 2014).

De

n

sid

ad

se

ca

(31)

Figura 2.2 Panorama de suelos arenosos en campos agrícolas de Virú

Según Perez V. (2013), la mayoría de los suelos en las zonas de cultivo de la provincia de Virú presentan ausencia de problemas por exceso de sales y poseen un pH ligeramente alcalino con un valor de 7.6; niveles bajos de materia orgánica, presenta además nivel medio de fósforo disponible y alto nivel de potasio.

2.2.2. Estabilización de suelos

En ingeniería, como lo menciona Wubshet, M. (2015), es una lógica saber que el adecuado desempeño y la duración prolongada de cualquier estructura geotécnica dependen inicialmente de la solidez de las capas de suelo que la soportan. Los suelos inestables como las arenas son incapaces por su naturaleza de sostener la estructura de un pavimento. Particularmente, los suelos en los campos agrícolas de Virú son de tipo franco arenoso con baja capacidad de soporte y casi nula plasticidad. Construir cualquier estructura en es este tipo de terreno requeriría o bien reemplazar el suelo o utilizar adiciones que permitan alcanzar las propiedades mecánicas requeridas, la segunda alternativa es objeto de esta investigación.

Figura 2.3 Distribución de esfuerzos en una estabilización mecánica y química (González, H.; López, B. y Salazar, S., 2013)

(32)

2.2.3. Tipos de estabilización

Los dos métodos más frecuentes de estabilización son: por compactación y por adición de aditivos químicos. La estabilización mecánica aplica la compactación y la mezcla de dos o más suelos con diferente granulometría; mientras que la estabilización química busca mejorar la resistencia, reducir el hinchamiento y proporcionar mayor durabilidad del suelo.

a) Estabilización mecánica

La estabilización mecánica se logra al combinar o mezclar dos o más tipos de suelo con diferente granulometría. La máxima densidad se suele obtener cuando la distribución se adapta a la parábola de Fuller [ 𝑝 = 100(𝑑/𝐷)0.5], que representa la gradación óptima de tamaños de partícula, donde p representa el porcentaje que pasa, d es el diámetro de partícula y D es la abertura del tamiz.

Figura 2.4 (a) Parábola de Fuller (b) Cantidad de finos sobre densidad y CBR (Sanchez S., 2016)

C

B

R

(

%

)

D

ensi

dad

se

ca

(g

/c

m

3 )

% Que pasa tamiz 200

Parábola de Fuller

%

Que p

asa

Abertura de tamices

(33)

En la Figura 2.4 se muestra la parábola de Fuller según la ecuación de máxima densidad, conjuntamente se puede apreciar que una adecuada distribución granulométrica mejora la densidad de la mezcla lo que permite alcanzar mayor capacidad de soporte (CBR).

La mezcla de materiales con diferente granulometría podrá ejecutarse en el lugar de construcción, en una planta o en una zona de cantera. La mezcla obtenida es colocada y compactada a la densidad requerida. Si después de este procedimiento, la mezcla no reúne los requerimientos, entonces la estabilización con algún aditivo será necesaria.

Figura 2.5 Mejoramiento de una vía por estabilización mecánica

Fuente: Constructionbaloch.com

b) Estabilización química

Se logra al adicionar apropiados porcentajes de cemento portland, cal, cal – cemento – ceniza volante, puzolana o la combinación de estos materiales con el suelo. Usualmente se requieren menores cantidades de aditivo para alterar las propiedades de un suelo (como la gradación, trabajabilidad y plasticidad) que cuando se busca mejorar la resistencia y durabilidad de este (Headquarters Department of the Army, 2015).

Particularmente durante la estabilización con cemento tenemos las siguientes etapas: primero la formación de fibras de silicato de calcio (gel C-S-H responsable de la resistencia e impermeabilidad del concreto) cuando entran en contacto con el agua, luego debido a esta reacción se forman masas de fibras minúsculas que se traban fuertemente unas con otras y con los elementos que la contienen; a continuación se presenta el fenómeno de reacción del cemento portland relacionado con la activación o reacción puzolánica de la ceniza presentada en esta investigación (Menedez A., 2016).

Hidratación del cemento Portland: Cemento + Agua  C-S-H + CH + otras fases

(34)

En contraste los cementos alcalinos se pueden clasificar en dos grupos, el primero compuesto por los Geocementos (arcillas, feldespatos, etc.) y en el segundo grupo los cementos de escoria activados, cementos de ceniza activada y otros. Debido a la extensión del tema en mención, solamente se expone a manera de resumen el mecanismo de estabilización con propiedades cementantes que persigue esta investigación. A continuación, presentamos en la Figura 2.6 un diagrama cuaternario en el que podemos situar diferentes formaciones cementantes según el contenido de sílice, alúmina y cal:

Figura 2.6 Diagrama cuaternario de compuestos cementantes (Alvarado R. y Nuñez Q., 2015)

Para enmarcar el fenómeno de activación del material propuesto (ceniza de cáscara de arroz) en el presente estudio, se describe lo siguiente: si bien, para la formación de un cemento alcalino se pueden utilizar los elementos del primer grupo de la tabla periódica (Li, Na, K, Rb, Cs) que exhiben propiedades de ligante hidráulico y son clasificados como cementos de escorias activadas alcalinamente y cementos de cenizas volantes activadas alcalinamente cuyos principales productos de reacción son el Sílico-aluminato Cálcico Hidratado (C-A-S-H) y el Sílico-aluminato Alcalino Hidratado (N-A-S-H) respectivamente, también los materiales que tienen como producto de reacción al Silicato Cálcico Hidratado poseen una composición estructural análoga.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

SiO2

Al2O3 CaO

Ceniza Volcánica Ceniza Volante Escoria Cemento Portland Cemento Aluminoso

Me2O

S2: [SiO2] + [Al2O3] > 70 %

GEL: N-A-S-H

S1: [SiO2] + [CaO] > 70 %

GEL: C-(A)-S-H

S4: [CaO] + [SiO2] + [Al2O3] > 70 %

GEL: (N,C)-A-S-H

S3: [CaO] + [Al2O3] > 70 %

GEL: C-A-(S)-H, C3AH6

Humo de sílice CCA

(35)

Figura 2.7 Composición estructural Linear, planar y 3D de compuestos cementantes (Alvarado R. y Nuñez Q., 2015)

La estabilización que utiliza la ceniza volante combinada con la cal es usada efectivamente para estabilizar mayormente suelos granulares; para ello, el índice de plasticidad no debe ser mayor de 25. Los suelos clasificados según la SUCS como arenas bien graduadas (SW), arenas mal graduadas (SP), arenas arcillosas (SC), gravas bien graduadas (GW), entre otros, pueden ser estabilizados favorablemente mediante esta técnica. Para decidir el porcentaje máximo de cal se utiliza el método del pH, cada vez que el pH sea alrededor de 12.4 se favorecen las condiciones para las reacciones de puzolánicas (Menedez A., 2016).

Figura 2.8 Descripción esquemática de la activación alcalina en una ceniza volante (González, H.; López, B. y Salazar, S., 2013)

2.2.4. Uso de la estabilización

Los caminos mejorados tal como el presentado en esta investigación son clasificados por sus capas superiores y superficies de rodadura según el manual de carreteras no pavimentadas de bajo volumen de tránsito como el ítem “d.2” de la sección 5.3 (MTC, 2008) que consiste en suelos naturales estabilizados con: material granular y finos ligantes, cemento, cal, aditivos químicos y otros.

Silico – aluminatos ricos en CaO Sílico – aluminatos pobres en CaO

Principal Producto de Reacción

Sílico – aluminato Cálcico Hidratado (C-A-S-H) Estructura 2D

Sílico – aluminato Alcalino Hidratado (N-A-S-H) Estructura 3D Arcillas + Calizas

Silicato Cálcico Hidratado (C-S-H) Estructura 1D

Ceniza volante Activador alcalino Muestra estabilizada

Curado

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En el funcionamiento estructural de las capas de revestimiento influye el tipo de suelo de la subrasante, el número total de los vehículos pesados por día o durante el periodo de diseño, incluido las cargas por eje. La demanda medida en EE o por vehículos pesados es muy importante cuando la carretera pudiera tener un alto porcentaje de este tipo de vehículos (MTC, 2008).

2.2.5. Sedimentos de clarificación de aguas de riego

Para regar grandes áreas agrícolas hoy en día se utiliza el riego por goteo o por aspersión, los cuales utilizan necesariamente agua clarificada, pues de lo contrario se obstruirían las tuberías, por este motivo las empresas agroindustriales tratan sus aguas con reactivos, motivo por el cual estas plantas producen un residuo que son los sedimentos, los cuales se vienen acumulando en el tiempo.

La clarificación de agua es el proceso de poner clara o limpia y purgar el agua que estaba densa, turbia o espesa. Cuando en una suspensión de partículas la concentración de finos y coloides es muy alta, el agua se vuelve más turbia, por lo que se debe agregar aditivos que cambian la carga superficial de las partículas de tal manera que estas se unan y adquieran mayor peso logrando que estas sedimenten y el agua se vuelva más transparente.

Figura 2.9 Riego por goteo en los campos agrícolas de CHAVIMOCHIC

Las aguas de riego se tienen que clarificar mediante operaciones de coagulación y floculación. Al respecto, Miño B. (2009) sostiene que: “Las aguas de formación, así como potables o residuales, en distintas cantidades, contienen material suspendido, sólidos que pueden sedimentar en reposo, o sólidos dispersados que no sedimentan con facilidad.

(37)

Figura 2.10 Pozas de clarificación de aguas de riego CHAVIMOCHIC

El sedimento cohesivo materia de esta investigación está formado por partículas de grano muy fino, constituidas por minerales de arcilla, que se mantienen unidas entre sí por la fuerza de cohesión, la cual se opone a que las partículas individuales sean separadas o arrancadas del conjunto del que forman parte. Esa fuerza de unión es considerablemente mayor que el peso de cada grano, y es la que resiste a las fuerzas de arrastre y sustentación causadas por el flujo de agua. (García F. y Maza A., 1995)

Por tanto, una vez que la cohesión ha sido vencida, las partículas desprendidas o levantadas pueden llegar a comportarse como las no cohesivas, aunque siempre serán transportadas o mantenidas en suspensión con mayor facilidad, ya que por ser muy pequeñas su peso prácticamente no influye en sus movimientos; en cuanto cesa la acción del agua, muchas de ellas (coloides) no se depositan, a menos que por la presencia de sales se facilite el proceso de floculación (formación de grumos o flóculos). (García F. y Maza A., 1995)

2.2.6. Ceniza de cáscara de arroz (CCA)

La ceniza de cáscara de arroz es un material resultante de la combustión de la cáscara de arroz, esta representa una opción energética que abunda en zonas como Guadalupe, del departamento de Lambayeque, así como Pacasmayo y Chepén del departamento de La Libertad. Se estima que por cada tonelada de arroz se generan 200 kg de cascarilla.

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Tabla 2.2 Composición química y propiedades físicas de diferentes cenizas de cáscara de arroz (Xinyu L., y otros, 2015)

Ceniza de cáscara de arroz 1 2 3 4 5

SiO2 (%) 92.40 94.60 87.86 91.71 86.98

Al2O3 (%) 0.30 0.30 0.68 0.36 0.84

Fe2O3 (%) 0.40 0.30 0.93 0.90 0.73

CaO (%) 0.70 0.40 1.30 0.86 1.40

MgO (%) 0.30 0.30 0.35 0.31 0.57

Na2O (%) 0.07 0.20 0.12 0.12 2.46

K2O (%) 2.54 1.30 2.37 1.67 –

Pérdida por ignición 2.31 1.80 – 3.13 5.14

Gravedad específica (g/cm3₎ _2.10 _2.05 _– _– _2.10

Finura menor a 45 m (%) – 98.20 – – –

Tamaño medio de partícula (m) 7.40 7.15 – 0.15 7.40

La ceniza de cáscara de arroz presenta características peculiares como un alto contenido de sílice (hasta un 97%), una estructura altamente celular, elevada área superficial de 50 a 100 m2_{/g (siendo el requisito de finura para una puzolana - superficie específica > 0.3 m}2_{/g) y un} diámetro medio generalmente inferior a 45 m, estas propiedades le confieren la capacidad de reaccionar puzolánicamente (Ferreira A. y Silveira A., 1997).

Según la normativa española cuando se supera el 25 % de sílice reactiva en una ceniza este material se muestra como una puzolana natural. Esta sílice se determina por diferencia entre la sílice total y la sílice que queda inalterada como residuo insoluble, una vez realizado un ataque mediante ácido clorhídrico (HCl) e hidróxido de potasio (KOH). Para el tipo de ceniza de cáscara de arroz estudiada el valor de sílice reactiva supera el 75%.

Las cenizas son utilizables para la estabilización, tanto mecánica como química de los suelos. En la estabilización mecánica, por su granulometría fina permiten rellenar los huecos entre los granos más gruesos que componen las arenas y los sedimentos lo que conlleva a un mejoramiento de su resistencia a la compresión mientras que en la estabilización química su alto contenido de sílice la convierte en un material cementante.

2.2.7. Hidratación del óxido de calcio proveniente del residuo calcáreo (RCCA)

(39)

fuente de cal y otros, destacando en todos casos por su elevado contenido de carbonato de calcio cuando no está calcinado.

Concretamente cuando a un material con contenidos superiores al 95% de carbonato de calcio (como, por ejemplo, la piedra caliza) es sometido a un proceso de calcinación, ocurre el siguiente fenómeno: el carbonato de calcio se descompone dando anhídrido carbónico (CO2) y oxido de calcio (CaO), denominándose a este último cal viva. La reacción de calcinación se presenta a continuación:

CO3Ca + calor → CO2+ 𝐂𝐚𝐎

El óxido de calcio (CaO) es un producto inestable, por tener gran predisposición para el agua, con la que reacciona de la siguiente manera:

CaO + H2O → 𝐂𝐚(𝐎𝐇)𝟐+ calor

El hidróxido de calcio Ca(OH)2 o cal apagada se genera acompañado de una liberación de calor de unos 160 °C, pulverizándose y aumentando considerablemente de volumen aparente. Cuando se añade más contenido de agua a este compuesto se suele denominar cal en pasta. La cal apagada o hidratada en pasta tiene la propiedad de endurecerse lentamente en el aire, enlazando los cuerpos sólidos, o funcionar como activador de las puzolanas (Villarino O., 2010).

Efectivamente las puzolanas (material natural o artificial que contiene fundamentalmente sílice más alúmina) por si mismas poseen un valor cementante nulo o muy pequeño, sin embargo finamente molido y en presencia humedad reacciona con el hidróxido cálcico Ca(OH)2 a temperatura ambiente dando lugar a una nueva formación de compuestos estables que poseen características cementantes capaces de desarrollar resistencia por endurecimiento (Alvarado Q., 2010).

2.2.8. Reacción puzolánica en la mezcla de cáscara de arroz y cal obtenida por calcinación de residuos de conchas de abanico

(40)

Para la reacción puzolánica es necesario una determinada finura del material, que se expresa fundamentalmente por la superficie específica de sus partículas; un activador (como el hidróxido de calcio) que genere un ambiente con elevado pH afín de lograr la solubilización de los compuestos silíceos o aluminosos de débil cristalinidad y la presencia de agua en el medio reaccionante.

Tabla 2.3 Componentes de la reacción puzolánica de la investigación

En la Figura 2.11 se muestra un diagrama triangular con los diversos materiales puzolánicos utilizados en la práctica, se puede apreciar que las puzolanas y cenizas volante están sobre la línea SiO2-Al2O3 en el primer tercio.

Figura 2.11 Diagrama de materiales puzolánicos (Deloye, F., 1993)

La reacción puzolánica consiste en la solubilización de los compuestos de sílice y alúmina amorfos en un medio altamente alcalino creado por una solución de hidróxido de calcio

Puzolana Activador

Ceniza de cáscara de arroz Cal obtenida por calcinación de conchas de abanico.

Obtenidas durante la industrialización del arroz en el

proceso de quemado controlado, en un determinado

rango de temperatura. Las cenizas contienen sílice

amorfa, con partículas angulosas, de elevada

porosidad y superficie específica.

Residuos calcáreos obtenidos a partir de la actividad

empresarial orientada al procesamiento y exportación

de la parte comestible de conchas de abanico, en la

(41)

generándose aluminosilicatos dicálcicos y tricálcicos similares a los obtenidos en el fraguado del cemento portland. Esta reacción es irreversible y se representa de la siguiente manera:

Sílice + (Oxido de Calcio + agua) = Silicato Cálcico Hidratado

Alumnia + (Oxido de Calcio + agua) = Aluminato Cálcico Hidratado

Minnick (1967) citado por Crespo (2005) presentan una lista de las reacciones que normalmente ocurren entre la cal y puzolanas industriales como las cenizas:

Hidratación del Óxido de calcio (CH): CaO H→ Ca(OH)2O 2

Combinación del Hidróxido de calcio con sílice y agua (C − S − H):

Ca(OH)2+ SiO2 H→ xCaO ySiO2 zH2O 2O

En los sistemas conformados por una solución de hidróxido de calcio y partículas de puzolana, la reacción ocurre según las siguientes etapas:

Figura 2.12 Etapas de la reacción de la solución de hidróxido de calcio y puzolana (Quintana C., 2005).

2.2.9. Parámetros del diseño de vías no pavimentadas de bajo volumen de tránsito

Los siguientes parámetros son los que definirán las características del proyecto, según se indica a continuación en el siguiente orden (MTC, 2008):

a) Estudio de la demanda

El camino se diseña para un volumen de tránsito que se determina como demanda diaria a servir, calculada como el número de vehículos promedio que utilizan la vía por día actualmente y que se incrementa con una tasa de crecimiento anual.

Difusión de los iones Ca2+_{desde la solución}

a la superficie de las partículas puzolánicas

Adsorción de los iones Ca2+ _{en la superficie de}

las partículas puzolánicas

Difusión de los iones Ca2+_{a través de la capa}

del producto de la reacción

Reacción química entrelos iones Ca2+ _y

(42)

Solo tienen interés los vehículos pesados cuyo peso bruto excede de 2.5 ton, el resto de vehículos con un peso inferior (Camionetas, automóviles y motocicletas) provocan un efecto mínimo.

Tabla 2.4 Clasificación del tráfico proyectado al año (MTC, 2008)

Clase T0 T1 T2 T3

IMDA (Total vehículos ambos

sentidos)

<15 16 – 50 51 – 100 101 – 200

Vehículos pesados

(carril de diseño) <6 6 – 15 16 – 28 29 – 56

N° Rep. EE (carril

de diseño) <2.5 x 10

4 _2.6x104_{– 7.8x10}4 _7.9x104_{– 7.8x10}5 _1.6x105_{– 3.1x10}5

El conteo de vehículos se realizará mínimo en tres días que servirá para calcular el índice medio diario anual (IMDA) y la cantidad de pesados (buses + camiones). El número de repeticiones de ejes equivalentes (EE) corresponde a la unidad normalizada por la AASHTO que representa el deterioro que causa en la capa de rodadura un eje simple cargado con 8.2 ton. Para el cálculo de EE se utilizan las siguientes expresiones por tipo de vehículo pesado. El resultado final será la sumatoria de los tipos de vehículos considerados.

Como referencia de cálculo se presenta la siguiente tabla, para periodos de 5 y 10 años:

Tabla 2.5 Número de repeticiones EE para para un eje simple cargado con 8.2 ton (MTC, 2008)

IMDA (total ambos sentidos)

Vehículos Pesados (carril

de diseño)

5 años (carril de diseño) 10 años (carril de diseño) N° Repeticiones

EE 8.2 tn

N° Repeticiones EE 8.2 tn

10 3 13,565 1.36E+04 15,725 1.57E+04

20 6 27,130 2.71E+04 31,451 3.15E+04

30 9 40,695 4.07E+04 47,176 4.72E+04

40 12 56,197 5.62E+04 65,148 6.51E+04