Ciencia Unisalle
Ciencia Unisalle
Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería
2020
Análisis de la resistencia a la compresión inconfinada y CBR de
Análisis de la resistencia a la compresión inconfinada y CBR de
un afirmado estabilizado con ceniza de bagazo de caña de azúcar
un afirmado estabilizado con ceniza de bagazo de caña de azúcar
y cal
y cal
Anggie Alexandra Cortes Roa
Universidad de La Salle, Bogotá
Leidi Paola Rincón Hernández
Universidad de La Salle, Bogotá
Follow this and additional works at: https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil
Part of the Civil Engineering Commons, and the Construction Engineering and Management Commons
Citación recomendada Citación recomendada
Cortes Roa, A. A., & Rincón Hernández, L. P. (2020). Análisis de la resistencia a la compresión inconfinada y CBR de un afirmado estabilizado con ceniza de bagazo de caña de azúcar y cal. Retrieved from
https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil/887
This Trabajo de grado - Pregrado is brought to you for free and open access by the Facultad de Ingeniería at Ciencia Unisalle. It has been accepted for inclusion in Ingeniería Civil by an authorized administrator of Ciencia
ANÁLISIS DE LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN INCONFINADA Y CBR DE UN AFIRMADO ESTABILIZADO CON CENIZA DE BAGAZO DE CAÑA DE
AZÚCAR Y CAL
LEIDI PAOLA RINCÓN HERNÁNDEZ ANGGIE ALEXANDRA CORTES ROA
UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C 2020
Análisis de la resistencia a la compresión inconfinada y CBR de un afirmado estabilizado con ceniza de bagazo de caña de azúcar y cal
Leidi Paola Rincón Hernández Anggie Alexandra Cortes Roa
Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de Ingeniero Civil
Director temático:
Msc. I.C. Martin Ernesto Riascos Caipe
Universidad De La Salle Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil
Bogotá D.C 2020
Nota de aceptación _____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________ ___________________________ Firma del director
___________________________ Firma del jurado
___________________________ Firma del jurado
Agradecimientos
Agradecemos primeramente a Dios por sus infinitas bendiciones a nuestros padres Miguel y Gladys; y, Jorge y Milena, por todo su apoyo y compresión por confiar y creer en nuestras expectativas, por los consejos, valores y principios que nos han inculcado. Y a nuestros hermanos por ser un apoyo incondicional. Agradecemos a nuestros docentes del programa de ingeniería civil de la universidad de la Salle, por habernos transmitido sus conocimientos a lo largo de nuestra carrera profesional, de manera especial, al ingeniero Martin Riascos Caipe tutor de nuestro proyecto de investigación quien nos ha guiado con su paciencia, y su rectitud; a los técnicos de laboratorio, Luis Eduardo Borja, Oscar Malagón y Jeferson Stiven Pérez por toda su colaboración a lo largo de este proceso, y a los habitantes de la comunidad de Tobia por su valioso aporte, disposición y colaboración para con nosotras y nuestra proyecto.
Dedicatoria
Principalmente a Dios, quien con su bendición llena siempre mi vida, por ser el inspirador y darme fuerza para continuar en este proceso de obtener uno de los anhelos más deseados. A mis padres Jorge Eliecer Rincón y Gladys Milena Hernández quienes con su amor, paciencia y esfuerzo me han apoyado y guiado para llegar a cumplir hoy un sueño más. A mi hermana Yhara Rincon Hernandez, quien siempre ha sido a poyo e inspiración para mí.
A todas las personas que nos han apoyado para que el trabajo se realice con éxito, especialmente a aquellos que nos abrieron las puertas, a quienes nos extendieron su mano y compartieron con nosotras sus conocimientos.
Dedicatoria
De manera espiritual siempre a Dios, pero con el mismo nivel de importancia siempre está mi padre quien ha confiado en mí desde el primer día en que decidí estudiar esta carrera, además me ha brindado todo su apoyo en los momentos difíciles que se presentaron a lo largo de este camino, también a mi mamá y hermanos Diana y Miguel Ángel quienes han estado a lo largo de todo este proceso, también de manera especial a mis amigos de la Universidad en especial a Pamela Solórzano quien estuvo para motivarme en aquellos momentos que no quería continuar. Por último, pero no menos importante a todos los Ingenieros del programa de Ingeniería Civil de la universidad quienes con sus conocimientos y asesorías ayudaron a que esta investigación se culminara con éxito dando cumplimiento a los objetivos propuestos al inicio.
Tabla de contenido
Introducción ... 15
Aspectos Generales Del Proyecto ... 17
Descripción Del Problema ... 17
Formulación Del Problema ... 18
Justificación y Delimitación Del Proyecto ... 18
Objetivos ... 20 Objetivo General ... 20 Objetivos Específicos ... 20 Marco De Referencia ... 20 Marco Teórico ... 20 Suelo ... 21 Estabilización De Suelos ... 21 Estabilización química ... 23 Estabilización mecánica ... 25 Marco Conceptual ... 26 Suelo ... 26 Cal ... 26
Ceniza de bagazo de caña de azúcar ... 27
Estabilización: ... 27 Granulometría: ... 27 Limite liquido ... 28 Limite plástico ... 28 Marco Legal ... 28 Antecedentes ... 30 Metodología ... 38 Tipo De Investigación ... 38 Hipótesis ... 39 Variables ... 39 Diseño Experimental ... 40
Primera Fase: Recopilación de información y materiales. ... 40
Segunda fase: Caracterización de los materiales ... 40
Tercera Fase: Mezclas de suelo con adición de ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBCA) y cal. ... 41
Cuarta Fase: Documento Final ... 42
Procedimiento y Resultados ... 44
Diseño Exploratorio ... 44
Caracterización Física ... 47
Límites de consistencia INV. E 125-126 – 13 ... 50 Gravedad Especifica I.N.V E 128-13 / 223-13 ... 54 Equivalente de Arena de Suelos y Agregados Finos I.N.V E.133-13 (ASTM D 2419-09) ... 57
Valor de azul de metileno en agregados finos I.N.V E. 235-13 ... 58 Determinación del contenido orgánico de un suelo mediante el ensayo de pérdida por ignición I.N.V E.121-13 (ASTM D 2216-10) ... 60
Caracterización Mecánica ... 61 Relaciones humedad – peso unitario seco en los suelos (Ensayo Modificado de
Compactación) I.N.V E – 142- 13 ... 61 Corrección del peso unitario y del contenido de agua de suelos que contienen sobre tamaños. I.N.V E-143-13 ... 62
Resistencia a la compresión inconfinada de mezclas compactadas de suelo cal INV. E. 605 – 13 ... 63
Relación de soporte del suelo en el laboratorio (CBR de laboratorio), I.N.VE 148-13 ... 65 Caracterización Química ... 66
Estimación de la proporción de cal necesaria para estabilizar un suelo a partir de la medida del pH I.N.V E – 601-13 ... 66 Análisis De Resultados ... 68 Caracterización Física ... 68 Determinación de los tamaños de las partículas de los suelos, norma I.N.V. E 123-13 ... 68
Límites de consistencia INV. E 125-126 – 13 ... 71
Gravedad Especifica I.N.VE 128-13 / 223-13 ... 81
Equivalente de Arena de Suelos y Agregados Finos I.N.V E.133-13 (ASTM D 2419-09) ... 82
Valor de azul de metileno en agregados finos I.N.V E. 235-13 ... 83
Determinación del contenido Orgánico de un suelo mediante el ensayo de pérdida por ignición I.N.V E.121-13 (ASTM D 2216-10) ... 83
Caracterización Mecánica ... 84
Relaciones humedad – peso unitario seco en los suelos (Ensayo Modificado de Compactación) I.N.V E – 142- 13 ... 84
Corrección del peso unitario y del contenido de agua de suelos que contienen sobre tamaños. I.N.V E-143-13 ... 88
Resistencia a la compresión inconfinada de mezclas compactadas de suelo cal INV. E. 605 – 13 ... 92
Relación de soporte del suelo en el laboratorio (CBR de laboratorio), I.N.VE 148-1 ... 94
Caracterización Química ... 100
Estimación de la proporción de cal necesaria para estabilizar un suelo a partir de la medida del pH I.N.V E – 601-13 ... 100
Conclusiones ... 104
Recomendaciones ... 107
Lista de Tablas
Tabla 1 Marco normativo del proyecto ... 29
Tabla 2 Propiedades físicas... 31
Tabla 3 Propiedades químicas ... 31
Tabla 4 Propiedades físicas y químicas de Bba ... 33
Tabla 5 Valores CBR del suelo no tratado y tratado con bagazo ceniza ... 34
Tabla 6 Variables dependientes e independientes ... 40
Tabla 7 Granulometría del material afirmado – I. N. V. E 123-13 ... 49
Tabla 8 Granulometría de la CBCA - I. N. V E 123 - 13 ... 50
Tabla 9 Limite liquido - I. N. V.E 125 - 13 ... 52
Tabla 10 Limite plástico - I.N.V. E 126 - 13 ... 53
Tabla 11 Índice de plasticidad - I. N. V E 126 - 13 ... 54
Tabla 12 Gravedad especifica - I. N. V. E 128 - 13 ... 55
Tabla 13 Gravedad especifica del suelo natural - I. N. V. E 223 - 13 ... 57
Tabla 14 Resultados del equivalente de arena - I. N.V. E 133.13 ... 58
Tabla 15 Resultados del ensayo de Azul de Metileno - I. N. V. E 235- 13 ... 59
Tabla 16 Resultados del ensayo de Materia Orgánica - I. N. V. E 121 - 13 ... 60
Tabla 17 Resultados ensayo modificado de compactación - I. N. V. E 142 - 13 ... 62
Tabla 18 Resultados corrección del peso unitario seco y contenido de humedad - I. N. V. E 143 - 13 ... 63
Tabla 19 Resumen de resultados obtenidos del ensayo de compresión inconfinada - I.N.V E. 605-13 ... 64
Tabla 20 Resumen de resultados obtenidos del ensayo de CBR - I. N. V. E 148 - 13 ... 65
Tabla 21 Lecturas de pH del ensayo - I. N. V. E 601- 13 ... 67
Tabla 22 Resultado del análisis de la grafica ... 68
Tabla 23 Características del suelo... 68
Tabla 24 Características de la CBCA ... 70
Lista de Figuras
Figura 1. Plan de ensayos ... 43
Figura 2. Ubicación cantera salitre blanco... 44
Figura 3. Mapa geológico de la formación Utica (Kiut) ... 46
Figura 4. Malla de tamices ... 47
Figura 5. Proceso de mezclado de la solución de hexametafosfato con el suelo y la CBCA ... 48
Figura 6. Ensayo limite liquido Casagrande ... 51
Figura 7. Muestras de limite liquido ... 51
Figura 8. Muestra de limite plástico ... 53
Figura 9. Ensayo gravedad especifica ... 55
Figura 10. Gravedad especifica ... 56
Figura 11. Volumen de la muestra utilizada en el ensayo ... 57
Figura 12. Ensayo Equivalente de arena de una de las muestras. ... 58
Figura 13. Vaso precipitado con la solución floculante y otro con la muestra de ensayo ... 59
Figura 14. Aureola en el papel filtro ... 59
Figura 15. Ensayo materia orgánica ... 60
Figura 16. Equipo Mufla con crisoles en su interior. ... 61
Figura 17. Equipo para ensayo de compactación ... 62
Figura 18 Infiltración y falla de cilindros ... 64
Figura 19 Infiltración y falla de cilindros ... 66
Figura 20. Las siete muestras con sus respectivos contenidos. ... 67
Figura 21. Medidor de pH ... 67
Figura 22. Curva granulométrica suelo de afirmado ... 69
Figura 23. Curva granulométrica suelo de afirmado, comparada con las franjas granulométricas de afirmado del invias, gradación A25 ... 69
Figura 24. Curva granulométrica de la CBCA ... 71
Figura 25. Clasificación ASSHTO S y S+5cal ... 73
Figura 27. Clasificación ASSHTO S+6CBCA, S+9CBCA y S +12CBCA ... 75
Figura 28 Carta de plasticidad S+6CBCA, S+9CBCA y S +12CBCA ... 75
Figura 29. Clasificación ASSHTO S+6CBCA+2C, S+9CBCA+2C y S +12CBCA+2C ... 76
Figura 30 Carta de plasticidad S+6CBCA+2C, S+9CBCA+2C y S +12CBCA+2C ... 77
Figura 31. Clasificación ASSHTO S+6CBCA+5C, S+9CBCA+5C y S +12CBCA+5C ... 78
Figura 32 Carta de plasticidad S+6CBCA+5C, S+9CBCA+5C y S +12CBCA+5C ... 78
Figura 33. Clasificación ASSHTO S+6CBCA+8C, S+9CBCA+8C y S +12CBCA+8C ... 79
Figura 34 Carta de plasticidad S+6CBCA+8C, S+9CBCA+8C y S +12CBCA+8C ... 79
Figura 35. Relacion entre el limite liquido y las mezclas ... 80
Figura 36. Relacion entre el indice de plasticidad y las mezclas ... 81
Figura 37. Relacion entre la gravedad especifica y las mezclas ... 82
Figura 38. Resultados de la humedad óptima para cada mezcla ... 85
Figura 39. Resultados de la densidad seca máxima para cada mezcla... 86
Figura 40. Relación de la densidad y humedad óptima para cada mezcla. ... 87
Figura 41. Densidad de las mezclas solo con porcentajes de CBCA ... 88
Figura 42. Comportamiento de la humedad optima corregida de todas las muestras analizadas. ... 89
Figura 43. Comportamiento de la densidad seca máxima corregida de todas mezclas ... 90
Figura 44. Densidad seca máxima corregida y humedad optima corregida para todas las mezclas. ... 91
Figura 45. Densidad seca máxima corregida de las muestras solo con adición de CBCA. ... 92
Figura 46. Relación entre compresión inconfinada a 8 días y las diferentes mezclas ... 93
Figura 47. Relación entre compresión inconfinada a 42 días y las diferentes mezclas ... 94
Figura 48.CBR del suelo natural ... 95
Figura 49. Relación entre CBR y las diferentes mezclas ... 96
Figura 50. Expansión vs mezclas para 10 golpes ... 97
Figura 51. Expansión vs mezclas para 25 golpes ... 97
Figura 52. Expansión vs mezclas para 56 golpes ... 98
Figura 53. Porcentaje de expansión vs densidad seca suelo natural (S) ... 98
Figura 55. Lecturas de pH del suelo ... 100
Figura 56. Relación de la densidad con respecto al CBR al 100% de cada muestra analizada ... 102
Figura 57. Relación de la resistencia a la compresión inconfinada a los 8 días con respecto al CBR al 100% de cada muestra ... 103
Figura 58. Relación de la resistencia a la compresión inconfinada a los 42 días con respecto al CBR al 100% de cada muestra ... 103
Lista de anexos ANEXO A. ANALISIS GRANULOMETRICO ... 112
ANEXO B. LIMITES DE CONSISTENCIA ... 116
ANEXO C. GRAVEDAD ESPECIFICA ... 130
ANEXO D. EQUIVALENTE DE ARENA DE SUELOS Y AGREGADOS FINOS ... 133
ANEXO E. VALOR DE AZUL DE METILENO EN AGREGADOS FINO ... 135
ANEXO F. DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO ORGÁNICO DE UN SUELO MEDIANTE EL ENSAYO DE PERDIDA POR IGNICIÓN... 136
ANEXO G. PROCTOR MODIFICADO ... 137
ANEXO H. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN INCONFINADA 8 DÍAS ... 154
ANEXO I. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN INCONFINADA 42 DIAS ... 182
ANEXO J. RELACIÓN DE SOPORTE DEL SUELO EN EL LABORATORIO (CBR) ... 210
ANEXO K. ESTIMACIÓN DE LA PROPORCIÓN DE CAL NECESARIA PARA ESTABILIZAR UN SUELO A PARTIR DE LA MEDIDA DEL PH. ... 218
ANEXO L. RESUMEN DE RESULTADOS ... 219
Introducción
En pleno siglo XXI la Ingeniería Civil tiene un papel fundamental para el crecimiento positivo del mundo, desde las poblaciones pequeñas hasta las más grandes, por ende, es importante las nuevas investigaciones donde se involucre desechos industriales o agrícolas, ya que como su nombre lo indica son materiales que se desechan en su mayoría de manera inadecuada afectando el medio ambiente y contribuyendo de manera negativa a la crisis ambiental que actualmente enfrenta el mundo.
En Colombia existen las Especificaciones generales de construcción de carreteras del año 2013 elaboradas por INVIAS las cuales muestran pautas claras y estándares de calidad para que los suelos y materiales estabilizados sean utilizados en la infraestructura vial. Por lo anterior, el presente proyecto de investigación busca estabilizar un suelo marginal aplicando las
especificaciones técnicas que se encuentran en esta norma.
Por tal motivo, en esta tesis se decidió trabajar en la estabilización de un suelo utilizando un desecho agrícola como lo es la ceniza de bagazo de caña de azúcar, a la cual no se le realiza ningún tipo de control y es desechada de manera inadecuada al aire libre, siendo una
problemática ambiental, dicha estabilización se realiza para vías terciarias ya que es una medida ideal debido al bajo nivel de transito que presentan esas vías con respecto a las secundarias o principales, además se logra disminuir en costos con respecto a una construcción de una carretera pavimentada ya sea de tipo rígido o flexible.
La presente investigación busca analizar la influencia de la Ceniza de Bagazo de Caña de Azúcar (CBCA) en conjunto con la cal, en las propiedades mecánicas de un suelo, perteneciente al subgrupo A-2-6, según AASHTO. Mediante diferentes ensayos se procedió a comparar la
muestra natural de suelo con respecto al suelo con los materiales mencionados anteriormente, los cuales se adicionaron en peso en proporciones correspondientes a 6, 9 y 12% de ceniza de
bagazo de caña en conjunto con 2, 5 y 8% de cal, generando un total de 9 combinaciones de CBCA + cal.
Por último, a nivel investigativo para determinar el porcentaje ideal de adición de ceniza de bagazo de caña de azúcar y cal, al suelo en estudio de esa zona, el cual fue extraído de una cantera en la región de Tobia, Cundinamarca, Colombia., específicamente se realizaron los siguientes laboratorios de caracterización física: determinación de los tamaños de las partículas del suelo (granulometría), límites de consistencia, gravedad específica, equivalente de arena, valor de azul de metileno, determinación del contenido orgánico de un suelo mediante el ensayo de perdida por ignición; a nivel mecánico fueron: relación humedad – peso unitario seco (ensayo modificado de compactación Proctor), corrección del peso unitario y el contenido de agua, resistencia a la compresión inconfinada y relación de soporte del suelo en el laboratorio (CBR), y dentro de la caracterización química se realizó el ensayo de estimación de la proporción de cal necesaria para estabilizar un suelo a partir de la medida del pH.
A través de los resultados obtenidos por cada uno de los ensayos mencionados se pretende dar cumplimiento al objetivo principal de analizar el comportamiento de un suelo afirmado,
estabilizado con adición de ceniza de bagazo de caña de azúcar y cal donde se debe concluir cual es el porcentaje que presenta mejor comportamiento al ser adicionado al suelo en referencia a la mejor resistencia.
Aspectos Generales Del Proyecto Descripción Del Problema
El estado de la vía de terciaria la vereda de Tobia en el municipio de Nimaima – Cundinamarca es un estado regular, debido a que presenta varios tramos con ondulaciones repentinas, también zonas prolongadas con fango, además de no contar con ningún tipo de señalización vial y mucho menos iluminación. Esto se logró concluir a través de las visitas realizadas en la zona, y por medio de la inspección visual.
Anteriormente la principal actividad económica de esa zona era los cultivos de caña de azúcar para la producción de panela, pero actualmente la mayoría de su población decidió dedicarse al turismo tanto a nivel de construcción de casa quintas en los lugares donde estaban dichos cultivos, como a la práctica de actividades extremas como canotaje.
Analizando la situación anteriormente planteada con respecto a la afectación de sus pobladores y turistas con respecto al mal estado de esa vía terciaria, y observando la facilidad con la que se consigue la ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBCA) en esa zona, debido a que los productores de panela en la zona utilizan el bagazo de la caña como combustible para producir la panela, generando la ceniza de este producto como un desecho en el proceso panelero, se opta por proponer la estabilización de un suelo afirmado, con esa ceniza (CBCA) y cal, para generar un mejor comportamiento geo-mecánico, basado en los parámetros de relación de soporte (CBR) y compresión inconfinada.
Debido a que es una vía terciaria que no posee un tránsito alto, se decide trabajar la estabilización del suelo a través de desechos asequibles en la zona de estudio, además esta técnica debido a la reutilización de desechos, en este caso agro-industriales saldría mucho más económica que la utilización de la técnica de placa- huella la cual se define según INVIAS (2007) en la
especificación 500-1P como “la elaboración, transporte, colocación y vibrado de una mezcla de concreto hidráulico reforzado, dispuesto en dos placas separadas por piedra pegada, de acuerdo con los lineamientos, cotas, secciones y espesores indicados o determinados por el interventor” (Armando & Arciniegas, 2015, p. 6).
Formulación Del Problema
¿Cuál es la incidencia generada en el suelo afirmado por la adición de la ceniza de bagazo de caña de azúcar más cal, con respecto a la resistencia a la compresión inconfinada y el CBR?
Justificación y Delimitación Del Proyecto
En la actualidad a nivel internacional y nacional se han realizado varios estudios con respecto a la estabilización de suelos con adición de algún tipo de ceniza más cal, lo cual en todos los casos los resultados han sido positivos con respecto al aumento en la resistencia en comparación a las propiedades analizadas de ese mismo suelo antes del proceso de estabilización. Los
principales estudios con resultados favorables han sido con la utilización de ceniza de carbón y ceniza de cascarilla de arroz.
Por ende, en esta investigación se busca analizar los resultados de resistencia utilizando en el proceso de estabilización la ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBCA) más Cal, se utiliza esta ceniza debido a que es muy fácil encontrar empresas productoras de panela en la zona de Tobia -Cundinamarca, por consiguiente, sus principales beneficios serán tanto a nivel económico como a nivel ambiental, ya que se le dará un uso productivo a la ceniza en mención.
Debido a ello, se busca brindar la posibilidad de utilizar otra alternativa diferente a la placa huella como solución al mejoramiento de un suelo, en este caso para la vía terciaria de la vereda Tobia-Cundinamarca debido al bajo nivel de transito que presenta y por la economía que ofrece el método de estabilización.
Este proyecto se llevará a cabo en un suelo afirmado proveniente de cantera ubicada en la vereda Tobia en el municipio de Nimaima - Cundinamarca, con adición en peso de ceniza generada de la quema del bagazo de caña de azúcar, utilizado para la producción de panela, teniendo en cuenta que el bagazo de la caña de azúcar es el sobrante que queda al extraer el jugo azucarado de la caña, el cual será quemado y posteriormente utilizado en el presente proyecto más la adición de cal hidratada, Ca(OH)₂, como aditivo debido a que se ha establecido que solo la adición de ceniza no es suficiente para estabilizar un suelo, por lo cual debe adicionarse cal hidratada para obtener mejores resultados con respecto a la resistencia.
Inicialmente se realizó una prueba química para determinar el porcentaje óptimo de adición de cal para el suelo en estudio, posteriormente las pruebas físicas que se realizaron tanto al suelo natural como a las diferentes mezclas de suelo más ceniza y cal fueron: determinación de los tamaños de las partículas del suelo (granulometría), límites de consistencia, gravedad específica, equivalente de arena, valor de azul de metileno, determinación del contenido orgánico de un suelo mediante el ensayo de perdida por ignición. Mientras que las pruebas mecánicas que se realizaron fueron: relaciones humedad- peso unitario seco en los suelos (ensayo modificado de compactación Proctor. INV. E – 142-13), ensayo de CBR (INV. E – 148 – 13) y el ensayo de resistencia a la compresión inconfinada, (INV. E – 152 - 13); para determinar la capacidad de soporte y la resistencia a la compresión del suelo natural, y del suelo con diferentes porcentajes de cal y ceniza.
Objetivos Objetivo General
Analizar el comportamiento de un suelo afirmado, estabilizado con adición de ceniza de bagazo de caña y cal, en diferentes proporciones, a la compresión inconfinada y a la capacidad de soporte (CBR).
Objetivos Específicos
Establecer las características, mecánicas y físicas del suelo y de la ceniza proveniente de la quema del bagazo de caña de azúcar proveniente de la vereda Tobia - Cundinamarca.
Evaluar el comportamiento de la resistencia a la compresión inconfinada y la capacidad de soporte del suelo en estudio, con adición de ceniza de bagazo de caña y cal.
Encontrar los valores óptimos de la relación ceniza-cal adicionada al suelo que muestren una mejora en el comportamiento a la resistencia
Marco De Referencia Marco Teórico
En la ingeniería de pavimentos su principal componente es el suelo en estado natural, pero cuando no es adecuado para la construcción se debe realizar diferentes procesos para mejorar su comportamiento, hay varios métodos, pero del que se hablará con profundidad trata sobre alterar o cambiar las propiedades del material existente de tal forma que se logre un material que reúna de la mejor manera los requisitos impuestos, o al menos tenga una calidad adecuada. Dicho procedimiento tiene el nombre técnico de estabilización de un suelo.
Suelo
Más allá de la típica definición del suelo como “un agregado de partículas orgánicas e inorgánicas, también se define como un conjunto con organización definida y propiedades que varían vectorialmente”.(Badillo & Rodríguez, 2005, p. 34)
La mayoría de los suelos que cubren la tierra están conformados por el proceso de meteorización de varias rocas. Hay dos agentes generales, mecánico y químico.
El suelo se utiliza como material de construcción en diversos proyectos de ingeniería civil y con cimientos estructurales. Por lo tanto, los ingenieros civiles deben estudiar las propiedades del suelo, tales como el origen, la distribución de tamaño de grano, la capacidad de drenar el agua, compresión, resistencia al corte y la capacidad de soporte de carga.(Das, 2013, p. 22)
Estabilización De Suelos
A la hora de estabilizar un suelo, lo primero que se debe conocer de ese material es su mineralogía y la probable reacción de ese suelo en estudio con los aditivos que se van a utilizar en la estabilización. Y en el libro de Fundamentos de Ingeniería geotécnica (2013) se define como “un proceso de alteración de las propiedades de ingeniería de suelo in situ o tomado a un costo más bajo y con mejor control de calidad” (p.266).
Además, es importante aclarar que no es posible mejorar absolutamente todas las propiedades del suelo por ende se deben especificar cual o cuales se pretende mejorar con ese proceso, las propiedades más comunes de un suelo que está comprobado que se puede mejorar son:
Estabilidad volumétrica
En la actualidad es una problemática grande los cambios volumétricos, ya que muchos suelos se expanden y se contraen con los cambios de humedad los cuales se pueden presentar de forma rápida o con las variaciones estacionales, y según la tesis de Angulo y Rojas (2016) se define como “la expansión y contracción de varios suelos, causados por los constantes cambios de
humedad, se pueden manifestar en forma repentina o acompañando a las variaciones estacionales o con la actividad del ingeniero" (p.25).
Por ende, algunas de las soluciones para evitar dicho problema mencionado anteriormente consisten en “introducir humedad al suelo en forma periódica, aplicar cargas que equilibren la presión de expansión, utilizar membranas impermeables y apoyar la estructura a profundidades
tales, que no se registre variación estacional en la humedad”.(Ingeniería Civil: Estabilidad
Volumétrica de Los Suelos., n.d.)
Resistencia
Cabe mencionar que la resistencia de los suelos es más baja cuando estos se encuentran húmedos, con algunas excepciones, así que para mejorar dicha propiedad se puede utilizar algunos tipos de estabilización como: vibro-flotación, precarga, drenaje, estabilización mecánica o estabilización química, entre otros. (Angulo & Rojas, 2016, p. 26)
Permeabilidad
De manera general se define como “El suelo se puede definir como permeable pues presenta poros; en este caso son los espacios vacíos que le permiten absorber el agua.” (Angulo & Rojas, 2016, p. 26)
Durabilidad
Se tiene entendido que “La resistencia al intemperismo es lo deseable para obtener suelos estabilizados, los principales problemas de durabilidad están relacionados a los suelos cercanos a la superficie de rodamiento; y para mejorarlas se necesita de la inserción de químicos,
Luego de tener la premisa de las principales propiedades del suelo que se pueden mejorar con la técnica de estabilización se procede a mencionar los tipos principales de estabilización los cuales son:
Estabilización química
En este tipo de estabilización como su nombre lo indica, se utilizan agentes químicos para mejorar el suelo en estudio, principalmente se realiza para mejorar la manejabilidad del suelo, todo para poder obtener un material de construcción más fácil a la hora de usarse, también se dice que se puede reducir la plasticidad y el potencial de expansión-contracción. Aunque para los casos de arcillas dispersivas, es utilizado para flocular las partículas, ya que si se presenta
dificultad en el proceso de compactación los agentes químicos ayudan a mejorar ese proceso. (Das, 2013, p. 267)
Principalmente existen tres agentes químicos que se usan como estabilizadores de suelos los cuales son: la cal, cemento y cenizas volantes.
Estabilización con cal
Este tipo de estabilización es común utilizarse para suelos finos, por ende, los tipos de cal más
utilizados son: cal hidratada alta en calcio [Ca (OH)2], cal viva calcítica (CaO), cal dolomítica
monohidratada [Ca (OH)2 MgO] y cal viva dolomítica. Según Das (2013) la cantidad promedio de adición es del 5 al 10%. En ese proceso de mezcla entre el suelo y la cal se produce una reacción puzolánica lo que se define como una reacción entre la cal y la sílice y la alúmina de la tierra para formar el material de cementación. (p.267). Una de las reacciones que se producen son:
Ca (OH)2 + SiO2 → CSH (Arcilla de sílice)
C = CaO
S = SiO2
H = H2O
Y se tiene comprobado que la reacción puzolánica puede durar por largos periodos de tiempo. A la hora de realizar la estabilización con cal en campo hay tres procedimientos básicos los cuales son:
- Se mezcla el material con la cantidad indicada de cal y se compacta después de
adicionar la humedad.
- En una planta externa al lugar de aplicación se mezcla el suelo con la cal y el agua
necesaria y luego se lleva al sitio indicado para su compactación.
- Se realiza una lechada de cal y se inyecta al suelo a presión con una profundidad de 4 a
5 m. (Das, 2013, p. 268)
Por último, está comprobado que la cal en suelos arcillosos ayuda a disminuir el límite líquido, aumentar el índice de plasticidad y manejabilidad, mejora las propiedades de resistencia y deformación del suelo.
Estabilización con cemento
Es comúnmente utilizado para suelos arenosos y arcillosos, también se ha comprobado que mejora las mismas propiedades mencionadas con la cal, pero de manera más especifica se dice que es efectivo para los suelos que tengan un limite liquido inferior de 45 a 50 y un índice de plasticidad menor a 25. (Das, 2013, p. 269)
Algunos de los efectos en la incorporación del cemento son inmediatos o a largo plazo donde se tiene como inmediatos a: modificaciones del estado hídrico, modificaciones de las
Los efectos a largo plazo de la incorporación del cemento son diferentes según se trate de suelos granulares o de suelos finos. En los primeros, la acción cementante es similar a la que se produce en el hormigón vibrado, con la diferencia de que el conglomerante no rellena completamente los huecos del esqueleto granular. En las arenas, la cementación se produce únicamente en los puntos de contacto entre granos. Cuanto más continua sea la granulometría, más reducidos serán los huecos entre partículas, más numerosas y de mayor tamaño las zonas de contacto entre ellas y más eficaz el efecto cementante. (Ieca et al., 2010, p. 35)
Estabilización con cenizas volantes
Las cenizas volantes son un subproducto de todo proceso de combustión de carbón
pulverizado, se caracteriza por ser un polvo fino compuesto principalmente de sílice, alúmina y diversos óxidos y álcalis, otro factor a mencionar es su efectiva reacción con la cal hidratada para generar productos cementosos debido a que es puzolánica. Teniendo en cuenta dicha situación, es ideal la estabilización de mezclas de suelo-cal-cenizas volantes para bases y sub- bases de carreteras ya que en cantidades del 10 al 35% en ceniza y del 2 al 10% de cal, se han
comprobado varias mejoras en las propiedades del suelo como resistencia, plasticidad, entre otras.
Por otro lado, de manera comprobada, al oeste de Estados Unidos existe una ceniza nombrada tipo C la cual dentro de su composición se encuentra aproximadamente el 25% de cal libre, lo que significa que no sería necesario la adición de cal fabricada para realizar algún proceso de estabilización de un suelo. (Das, 2013, p. 270)
Estabilización mecánica
Como su nombre lo dice, es aquella que utiliza “una acción mecánica de corta duración de forma repetitiva sobre una masa de suelo parcialmente saturado, sin cambiar la forma, estructura y composición básica del mismo”(Angulo & Rojas, 2016, p. 14).
El objetivo principal de dicha acción es mejorar la resistencia al corte del suelo, para ello se utiliza equipos compactadores que se encargan de reducir el volumen de vacíos, lo que genera mayor densidad, estabilidad. (Angulo & Rojas, 2016, p. 15)
Cabe mencionar que la compactación de un suelo es ideal para aquellos que tienen algún grado de cohesión y no son demasiado plásticos.
Marco Conceptual Suelo
En el marco de la ingeniería civil es un material de construcción, que se utiliza como soporte de las estructuras tales como edificaciones, vías, puentes, canales y muchas otras, además se utiliza en otras construcciones como terraplenes viales, muros de tierra reforzada, también se pueden encontrar en taludes de corte y cumplen funciones específicas e importantes en este tipo de proyectos.
Son el objeto para estabilizar, cuando se trata de brindar estabilidad a diversas estructuras, y diferentes elementos tales como tratamiento de pendientes, canales y bermas. (Escobar & Potes, 2016)
Cal
Es un producto que se obtiene de la descomposición de rocas calizas por el calor. Lo que significa que, el carbonato de calcio se descompone en óxido de calcio y anhídrido carbónico, lo cual se elimina con productos gaseosos del proceso de combustión. (Montejo Fonseca, 1997, p. 101)
Cal viva
“El óxido de calcio, llamado cal viva, es un producto sólido, de color blanco, amorfo aparentemente, con un peso específico entre 3.18 y 3.40. Es inestable, por tener gran avidez de agua”.(Montejo Fonseca, 1997, p. 102)
Cal hidratada
Proceden de calcinación de rocas calizas con más del 5% de arcilla. Dan un producto que reúne las propiedades de las cales grasas y además la de fraguar en sitios húmedos y debajo de agua.(Montejo Fonseca, 1997, p. 103)
Ceniza de bagazo de caña de azúcar
Gonzales (2014) especifico que es un desecho agroindustrial, producto del tratamiento de la caña, el cual genera unos residuos; actualmente estos residuos son utilizados como combustible para la elaboración de otros productos derivados de la caña, de lo cual se obtienen las cenizas del bagazo como un desecho que puede llegar a ser contaminante y al cual no se le da ningún
uso.(Durán-Herrera & Valásquez-Amado, 2012, p. 36)
Materiales puzolánicos
Los materiales puzolánicos pueden ser naturales, por ejemplo, de cenizas volcánicas o de tierras diatomeas, o pueden ser artificiales como cenizas volantes o humo de sílice. Son
principalmente materiales silíceos vítreos que pueden contener compuestos aluminosos pero que tienen un bajo contenido en calcio. (Lorca Aranda, n.d.)
Estabilización:
Este proceso consiste en la alteración de las propiedades físicas del suelo, como por ejemplo incrementar la resistencia o durabilidad con el objetivo de tener un mejor material de
construcción, y para ello los aditivos más utilizados actualmente son: cemento, cal, asfalto, cenizas volantes, arena, entre otros materiales.(Montejo Fonseca, 1997, p. 99)
Granulometría:
“El análisis granulométrico se refiere a la determinación de la cantidad en por ciento de los
las partículas se realiza mediante tamizado, sin embargo, cuando las partículas son muy finas, la determinación de los tamaños se realiza por sedimentación. (Crespo Villalaz, 2004, p. 46)
Limite liquido
“El límite liquido se define como el contenido de humedad expresado en por ciento con
respecto al peso seco de la muestra, con el cual el suelo cambia del estado líquido al plástico”(Crespo Villalaz, 2004, p. 70).
Limite plástico
Se refiere al contenido de agua, con respecto al peso de la muestra seca al horno, expresado en
porcentaje,por ende, los suelos cohesivos pasan de un estado semisólido a un estado
plástico.(Crespo Villalaz, 2004, p. 77)
Marco Legal
El instituto nacional de vías – INVIAS, es una entidad colombiana que se encarga de llevar a cabo los, procedimientos, programas y proyectos en las vías nacionales y terciarias, es decir es el ente del sector transporte garante de los planes para construcción, mejora, rehabilitación y mantenimiento vial.
Por tal motivo se toma coma base la normatividad vigente establecida por esta institución con el fin de garantizar, que los procesos realizados y los resultados obtenidos en el desarrollo de este proyecto, sean confiables y exitosos.
De acuerdo con el instituto INVIAS se debe cumplir con las especificaciones generales de construcción de carreteras y normas de ensayo para materiales de carreteras
Tabla 1
Marco normativo del proyecto
NORMA NOMBRE DESCRIPCIÓN
I.N.V E 121-13 (ASTM D 2216-10)
Determinación del contenido orgánico de un suelo mediante el ensayo de perdida por ignición
Este método consiste en determinar la oxidación cuantitativa de materia orgánica en materiales tales como lodos orgánicos, turbas y suelos que contengan materia vegetal relativamente no descompuesta ni deteriorada y proporciona una estimación valida del contenido orgánico
I.N.V E 122-13 (ASTM D 2216-10)
Determinación en el laboratorio del contenido de agua (humedad) de muestras de suelo, roca y mezclas de suelo – agregado
Esta norma se refiere a la determinación del contenido de gua, por masa, de suelos, rocas y mezclas de suelo – agregado.
I.N.V E 123-13 (ASTM D 422-63)
Determinación de los tamaños de las partículas de suelo
Esta norma técnica corresponde a la “determinación cuantitativa de la distribución de los tamaños de las partículas de un suelo”
I.N.V E 125-13 (ASTM D 4318-10)
Determinación del límite liquido de los suelos
Esta norma técnica describe el
procedimiento para establecer el límite liquido de los suelos
I.N.V E 126-13 (ASTM D 4318-10)
Determinación del límite plástico de los suelos
Esta norma técnica describe el
procedimiento para establecer el límite liquido de los suelos
I.N.V E-128-13 (ASTM D 854-10)
Determinación de la gravedad especifica de las partículas sólidas de los suelos y del llenante mineral empleando un picnómetro de agua
Esta norma técnica describe el
procedimiento para establecer la gravedad especifica de los suelos
I.N.V E 133-13 (ASTM D 2419-09)
Equivalente de arena de suelos y agregados finos
Esta norma se refiere a la determinación de las proporciones relativas de polvo y material de apariencia arcillosa o finos presentes en suelos.
I.N.V E-142-13 (ASTM D 1557-09)
Relaciones humedad – peso unitario seco en los suelos (ensayo
modificado de compactación)
Esta norma técnica describe el
procedimiento para establecer la relación entre la humedad óptima de compactación y el peso unitario seco máximo de un suelo
I.N.V E-143-13 (ASTMD 2718-87)
Corrección del peso unitario y del contenido de agua de suelos que contienen sobre tamaños.
Esta norma establece el procedimiento para realizar la corrección del peso unitario de seco y del contenido de agua en suelos con sobre tamaños, que han sido removidos. I.N.V E-148-13 (ASTM D 1883-07) CBR de suelos compactados en el laboratorio y sobre muestras inalteradas
Esta norma técnica describe el
procedimiento para establecer el índice de resistencia de los suelos de subrasante, subbase y base denominado CBR I.N.V E-235-13
Valor de azul de metileno en agregados finos
Esta norma describe el procedimiento para determinar el valor de azul de metileno, con el fin de establecer la cantidad de arcilla nociva presente en agregados.
I.N.V E-601-13 (ASTM D 1557-09)
Estimación de la proporción de cal
necesaria para estabilizar un suelo a través de la medida de PH
Esta norma técnica describe el
procedimiento para estimar la proporción de cal para estabilizar un suelo
I.N.V E-605-13
Resistencia a la
compresión inconfinada de mezclas compactadas de suelo – cal
Esta norma técnica describe el procedimiento para establecer la
resistencia a la compresión inconfinada de suelos estabilizados con adición de Cal
Fuente: elaboración propia
Antecedentes
En esta sección, se relacionan diferentes estudios e investigaciones donde se involucra el tema de este estudio, los cuales han sido desarrollados por diferentes Universidades y Entidades gubernamentales.
Yadav, Gaurav, Kishor & Suman (2017) realizaron la estabilización de un suelo en la India clasificado como arcillosa plástica intermedia, el principal objetivo del estudio estaba orientado a mejorar la fuerza del suelo utilizando residuos agrícolas y de ganado generados en la zona para reducir el costo de construcción. Utilizando tres agentes estabilizadores; ceniza de cáscara de arroz (RHA), ceniza de bagazo de caña de azúcar (SCBA) y ceniza de estiércol de vaca (CDA)
con el fin de investigar las propiedades físicas, químicas y de ingeniería del suelo natural y el suelo estabilizado con una adición de 2,5%, 5%, 7,5%, 10% y 12,5% de ceniza al suelo. Obteniendo principalmente una comparación entre los valores de CBR Y compresión inconfinada del suelo natural y el suelo estabilizado. En las tablas 2 y 3 se encuentran las propiedades físicas y químicas respectivamente de cada una de las cenizas utilizadas.
Tabla 2
Propiedades físicas
Propiedad Resultado de la prueba
Cda Rha Scba
1 Color Gris Gris Gris
2 Gravedad específica 1.865 1.89 1.90
3 Límite de líquido 43.85 45.3 40.20
4 Límite de plástico No plástico No plástico No plástico
5 Contenido óptimo de humedad (%) 41.25 43.56 45.60
6 Densidad máxima en seco (g/cm3) 1.19 1.18 1.16
Fuente: Adaptada de Kumar Yadav, A., Gaurav, K., Kishor, R., & Suman, S. K. (2017). Stabilization of alluvial soil for subgrade using rice husk ash, sugarcane bagasse ash and cow dung ash for rural roads. International Journal of Pavement Research and Technology, 10(3), 254–261.
https://doi.org/10.1016/j.ijprt.2017.02.001
Tabla 3
Propiedades químicas
Propiedad Resultado de la prueba
Cda Rha Scba
1 Sílice (SiO2) 57,33 95,6 70,87
2 óxido de aluminio (Al2O3) 5,02 0,3 6,86
3 óxido de hierro (Fe2O3) 2,78 1,2 4,87
4 oxido de calcio (CaO) 14,2 0,3 3,41
5 Magnesia (MgO) 4.3 0.20 3.25
Fuente: Adaptada de Kumar Yadav, A., Gaurav, K., Kishor, R., & Suman, S. K. (2017). Stabilization of alluvial soil for subgrade using rice husk ash, sugarcane bagasse ash and cow dung ash for rural roads. International Journal of Pavement Research and Technology, 10(3), 254–261.
https://doi.org/10.1016/j.ijprt.2017.02.001
La tendencia de CBR y UCS inicialmente aumentando y luego disminuyendo, indica un punto pico que muestra un contenido óptimo de ceniza de 7.5%. Al aumentar la proporción de las diferentes cenizas y disminuir la proporción del suelo en la mezcla, el límite líquido del suelo
generalmente disminuye, pero el límite de plástico aumenta, disminuyendo el índice de plasticidad del suelo; se presentó una disminución en la densidad seca y un aumento en el contenido óptimo de humedad a medida que aumenta la proporción de cenizas.
El máximo de CBR no empapado se alcanzó al 7,5% de la ceniza de cascarilla de arroz, seguido por la ceniza de bagazo de caña las cuales le aportaron buenas propiedades al suelo, dejando en último lugar, la ceniza de estiércol de vaca. La capacidad de soporte CBR máxima empapada es de 5.88% al 7.5% del contenido de ceniza. La UCS del suelo natural es de 1.48
kg/cm2. Al reemplazar el suelo con las diferentes cenizas, inicialmente el UCS del suelo aumenta
hasta la mezcla compuesta por 92.5% de suelo y 7.5% de ceniza de cascara de arroz y luego
disminuye; el valor UCS máximo registrado fue de 1.88 kg/cm2 ligeramente más alto que el
suelo natural (Kumar Yadav et al., 2017).
Los autores M. Cabrera, J. Rosales, J. Ayuso, J. Estaire, F. Agrela (2018) desarrollaron una investigación sobre la viabilidad de utilizar ceniza de fondo de biomasa de olivo (BBA) en subbases de caminos y carreteras en la ciudad Andalucía en el sur de España; utilizando un suelo arcilloso expansivo (ECS) y cal viva, buscando remplazar el cemento por una combinación de ceniza y cal, como material estabilizador.
En este estudio, se agregaron cuatro porcentajes diferentes de ceniza al material expansivo, 0, 15, 50 y 100%; además, el material expansivo se mezcló con 5% en peso de cal viva, por
sustitución.
Las pruebas que se realizaron fueron: Proctor estándar, CBR sin remojo, CBR empapado de 4 días, CBR empapado de 90 días, CBR 90 días de cámara seca a una temperatura de 20ºC y 72% de humedad, compresión triaxial; se realizaron una serie de pruebas de hinchamiento libre en
muestras compactadas con un contenido óptimo de agua y con una densidad equivalente al 100% de la compactación Proctor estándar y espectroscopia de rayos x.
Se obtuvo como conclusión que el uso de cenizas procedentes de la combustión de biomasa reduce la expansión de los suelos expansivos en la misma medida que desde el tratamiento con cal, además, que la adición de BBA en todas las mezclas mejoró la capacidad de carga, principalmente debido al alto contenido de calcio que aumentó la actividad puzolánica. En la tabla 4 se muestran los valores obtenidos de las pruebas de CBR. (Cabrera et al., 2018)
Tabla 4
Propiedades físicas y químicas de Bba
Fuente: Adaptada de Cabrera, M., Rosales, J., Ayuso, J., Estaire, J., & Agrela, F. (2018). Feasibility of using olive biomass bottom ash in the sub-bases of roads and rural paths. Construction and Building
Materials, 181, 266–275. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.06.035
En Queensland, Australia, los autores Hayder Hasan , Liet Dang , Hadi Khabbaz , Behzad Fatahi , y Sergei Terzaghi (2016) realizaron una investigación sobre la remediación de suelos expansivos utilizando residuos agrícolas de ceniza de bagazo de caña de azúcar, donde se determinó que esta ceniza comprende un alto porcentaje de sílice (SiO2) y tiene potencial para ser utilizado en la estabilización de subrasantes de caminos, para activar y mejorar la efectividad de las cenizas de bagazo, se utilizó cal hidratada. Las muestras se prepararon utilizando
diferentes contenidos de ceniza de bagazo y cal hidratada (0%, 6%, 10%, 18% y 25% por la masa seca del suelo), en una proporción de 3: 1, respectivamente; es decir, los contenidos de
CBR sin empapar 4 días empapado CBR 90 días empapado CBR 90 días cámara seca CBR 25% MP 50% MP 100% MP 25% MP 50% MP 100% MP 100% MP 100% MP Ecs 3.24 8.15 13.05 1.2 1.4 2.3 1.31 58.89 Bba 13.96 21.53 35.09 11.66 17.62 28.01 38.69 44.98 ECS + 5% QL 8.12 14.62 22.31 2.24 3.58 4.67 36.81 69.19 ECS + BBA (50/50) 15.64 22.89 25.84 12.45 23.11 33.70 41.71 63.64 ECS + BBA (85/15) 10.89 18.22 21.39 6.48 15.22 19.75 30.55 54.31
ceniza de bagazo fueron 4.5%, 7.5%, 13.5% 18.75% y los contenidos de cal correspondientes fueron 1.5%, 2.5%, 4.5%, 6.25% para un suelo clasificado como arcilla de alta plasticidad (CH).
Inicialmente se realizaron una serie de pruebas en muestras de suelo no tratado; El siguiente conjunto de pruebas se realizó a las combinaciones de suelo, ceniza de bagazo de caña y cal y el conjunto final de pruebas se realizó en muestras de suelo tratadas con cal. En periodos de 3,7 y 28 días.
Los valores de las pruebas de hinchamiento libre disminuyeron ligeramente a medida que aumenta el porcentaje de cenizas de bagazo. El valor de hinchamiento libre mínimo pertenece a las muestras con 18.75% BC-6.25% CAL. Además se observó que los valores de CBR aumentaron considerablemente para 6%, 10%, 18% y 25% de BA L a los 7 y 28 días de curado y que la mejora de CBR con diversos BA-L en mezclas a los 28 días de curado fue mayor que los valores correspondientes para los 7 días de curado, el valor de CBR aumentó rápidamente mediante la adición de hasta 4,5% L, mientras que su valor se modificó solo ligeramente después de 4,5% L como podemos observar en la tabla 5. (Hasan et al., 2016)
Tabla 5
Valores CBR del suelo no tratado y tratado con bagazo ceniza
CBR %
Contenido de BA-L % 7 días de curado sin
remojar
28 días de curado sin remojar
28 días de curado 7 días empapado
Suelo sin tratar 7.1 7.1 3.2
4.5% BA-1.5% L 15.2 20.0 14.4
7.5% BA-2.5% L 26.4 33.5 23.6
13,5% BA-4,5% L 48.2 52.9 49.7
18.75% BA-6.25% L 58.6 62.6 54.8
Fuente: Adaptada de Hasan, H., Dang, L., Khabbaz, H., Fatahi, B., & Terzaghi, S. (2016). Remediation of Expansive Soils Using Agricultural Waste Bagasse Ash. Procedia Engineering, 143(Ictg), 1368–1375. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.06.161
En 2017 Bryan Ramos, M. y Illidge Quintero, D., realizaron una investigación donde
la AASHTO adicionando cascarilla de arroz y ceniza volante, con el fin de encontrar un porcentaje óptimo de cascarilla de arroz y ceniza volante que lograra disminuir el cambio volumétrico del suelo y encontrar la correlación entre el módulo resiliente y el CBR. de las muestras analizadas con diferentes porcentajes de cenizas volantes y cascarilla de arroz. Dentro de la investigación se realizaron diferentes ensayos con el fin de encontrar las características físicas, químicas, mecánicas y dinámicas del suelo y de las mezclas de suelo-ceniza y cascarilla de arroz, suelo A0C0, 6% de cascarilla de arroz A6, 6% de cascarilla de arroz y 10% de ceniza volante A6C10, 6% de cascarilla de arroz y 20% de ceniza volante A6C20, 6% de cascarilla de arroz y 30% de ceniza volante A6C30. A las cuales se les realizaron ensayo de humedad, determinación de los tamaños de las partículas de los suelos y análisis granulométrico por medio del hidrómetro, determinación del límite liquido de los suelos, límite plástico e índice de
plasticidad, Proctor estándar, relación de soporte del suelo en el laboratorio CBR, compresión inconfinada y ensayo de corte directo en condición no consolidada no drenada (UU).
En la investigación se determinó que a medida que aumentaba el contenido de ceniza volante hubo una mejora notable en la resistencia del suelo aumentando la capacidad de soporte (CBR.) del suelo A0C0 de 2,02% a 3,76% para la mezcla A6C30 además se obtuvo una reducción de expansión del 70% con esta mezcla, por lo cual los autores determinaron esta como la óptima, la cual cumple con el valor mínimo requerido para pavimentos que es 2% y es la mezcla que obtuvo los mejores resultados en los ensayos de Mr y CBR.(Ramos & Illidge Quintero, 2017)
En la tesis titulada análisis de la relación de soporte y resistencia a la compresión de un suelo arcillo-limoso en la vereda de Liberia del municipio de Viotá – Cundinamarca estabilizado con ceniza de cascarilla de café, se trabajó con 3 porcentajes de ceniza en peso los cuales fueron 4,6 y 8% por el método de adición, a esas 3 mezclas junto con 1 de solo suelo arcillo-limoso se
realizaron varios laboratorios de caracterización física, química y mecánica todo con el objetivo de encontrar el porcentaje que presentara mejor resistencia al adicionarse a ese tipo de suelo, llamado porcentaje optimo, dentro de los resultados cabe destacar en el ensayo de gravedad especifica [Gs] su valor aumenta al adicionar en peso la ceniza de café, así que en este caso el mayor valor de Gs seria con 8% de ceniza, también se analizó que la ceniza aumento la relación de soporte [CBR] con respecto a los resultados de las pruebas realizadas al suelo, en conclusión el porcentaje en adición óptimo para cumplir con el objetivo principal de esta investigación fue 8% de ceniza de café, lo anterior se verifica en el mejoramiento en los resultados del ensayo de relación de soporte [CBR] al igual que la compresión inconfinada en condición húmeda o seca. (Felipe & García, 2019)
En la investigación titulada: “Caracterización de un material compuesto por suelo arenoso, ceniza de cáscara de arroz y cal potencialmente útil para su uso en pavimentación”, realizada por la facultad de ingeniería de la Universidad de la Republica en Uruguay, por Leonardo Behak y Washington Pérez Núñez, el objetivo principal fue encontrar una solución económica, para pavimentos de bajo volumen de tránsito y resolver la situación problemática ambiental, con respecto a la disposición de la ceniza residual de la quema de la cascara de arroz.
El trabajo experimental consistió en realizar diferentes ensayos físicos y mecánicos al suelo clasificado como SW-SM extraído de una cantera en Montevideo, y la conformación de tres mezclas, las cuales fueron: suelo+15% de CCA+5% de cal, suelo+20% de CCA+5% de cal y
suelo+20% de CCA +10% de cal,los principales ensayos realizados fuerondifractogramas de
rayos x, parámetros óptimos de compactación, CBR, resistencia a la compresión inconfinada y a la tracción diametral y durabilidad, al analizar los resultados de los difractogramas de rayos x basado en la teoría se confirmó que a los 28 días de cura se forman productos cementantes
cuando reaccionan los iones de calcio de la cal con la sílice amorfa de ceniza, los cuales son los responsables de la estabilización del suelo arenoso, mientras que los resultados de CBR
aumentaron sustancialmente en la mezcla curada 28 días con mayor cantidad de ceniza y mayor cantidad de cal, obteniendo un valor de 25%, lo cual afirma que dicha mezcla se podría utilizar como capa de subbase de pavimentos, al mismo tiempo el valor de RCI (resistencia a la
compresión inconfinada) presento mejores valores con los porcentajes más altos de ceniza y cal al igual que al mayor tiempo de cura, obteniendo su máximo valor en 276 kPa donde al
compararlo con el suelo natural es 20 veces mayor.
Así que luego de analizar la influencia de las diferentes mezclas de suelo con dicha ceniza más cal siempre en comparación con el suelo natural, se concluye que la mezcla que mejor comportamiento tuvo con respecto a los parámetros de resistencia analizados es la mezcla de suelo con 20% de ceniza de cascara de arroz y 10% de cal hidratada, afirmando una viabilidad para su uso en pavimentos de bajo a mediano volumen de tránsito.(Behak & Núñez, 2008)
Mientras que en la tesis titulada “Estabilización de suelos arcillosos adicionando ceniza de caña de azúcar en el tramo De Pinar – Marian, Distrito de Independencia 2018” por parte de la Universidad Cesar Vallejo e Huaraz – Perú, la experimentación consistió en adicionar 10,20 y 30% de esa ceniza a un suelo clasificado por el método SUCS como CL (arcilloso de baja plasticidad) más una mezcla de suelo patrón. Los ensayos realizados que generan mayor relevancia son el índice de plasticidad, Proctor modificado y CBR donde se concluyó que los mejores resultados los presento la mezcla de suelo más 20% de ceniza con una disminución del índice de plasticidad a 9,73% mientras que el suelo patrón tenía un valor de 16,11%.
Por otro lado, los resultados de la caracterización mecánica con respecto a los valores de resistencia, la mezcla con 20% de ceniza siguió presentando mejores resultados con la mayor
máxima densidad seca en 1,859 gr/cm3 con respecto a las otras mezclas, acompañado de una humedad optima de 9,567% y el CBR para la subrasante al 95% fue de 15,18% con una expansión de 0,24% mientras que la mezcla de suelo patrón presentaba un CBR para la subrasante al 95% de 4,81% con expansión de 1,47%.
En conclusión, la mezcla de suelo más ceniza que mejoro las propiedades con un aumento hasta del 10% según la normativa MTC la cual lo clasifica como una sub rasante buena, fue la adición de ceniza de caña de azúcar del 20% ya que a pesar de que los porcentajes de 10% y 30% también arrojaron algunos valores favorables, en algún criterio tenían discrepancia lo cual
variaba resultados como: aumentar el índice de plasticidad, disminución en la densidad seca o CBR, por ende, no se optó por esos otros dos porcentajes, mientras que la mezcla escogida se recomienda para utilizarse en la pavimentación o afirmado de una carretera en esa zona. (Espinoza Chuquino & Velásquez Pérez, 2018)
Metodología Tipo De Investigación
El tipo de investigación en que se clasifica el presente proyecto se define como una tesis experimental teniendo en cuenta que se realizaron un conjunto de actividades investigativas, metodológicas y técnicas, en base a la manipulación de variables debidamente controladas, con el fin de obtener una representación simplificada de la realidad, estudiando cual es el efecto producido por las variables implícitas y en qué grado. Además, la presente investigación también es de tipo correlacional, la cual se entiende como la determinación del grado de relación y
semejanza que pueda existir entre dos o más variables, es decir, entre características o conceptos de un fenómeno. Cabe aclarar que no se pretende establecer una explicación completa de la causa – efecto de lo ocurrido, solo se encarga de aportar indicios sobre las posibles causas de un
acontecimiento. En este método se utilizan cálculos estadísticos, para relacionarlos entre sí y se puede también incluir el control de variables a fin de obtener resultados más válidos.
Para el caso puntual se busca, evaluar los cambios producidos en un suelo granular de afirmado al adicionarle ceniza de bagazo de caña de azúcar y cal en diferentes cantidades, que permitan dar cumplimiento a los objetivos planteados, aplicando diferentes ensayos dando cumplimiento a la normatividad INVIAS del año 2013; entidad garante de las obras viales en Colombia.
Hipótesis
Se espera que la ceniza del bagazo de caña (como desecho agroindustrial) en conjunto con la cal hidratada mejoren las propiedades físicas y mecánicas del suelo de afirmado, incidiendo directamente en los límites de consistencia, además de la relación de soporte y la resistencia a la compresión simple. Estudio realizado en el segundo semestre de 2019 en la vereda de Tobia, en el municipio de Nimaima- Cundinamarca
Variables
En la presente investigación se realiza el análisis de una muestra de un suelo de afirmado clasificado como una grava y arenas arcillosa y limosa perteneciente al grupo A-2-6, el cual es modificado realizando la adición de diferentes porcentajes de ceniza de bagazo de caña en conjunto con cal hidratada, siendo estas variables independientes, a las cuales se les realizaron diferentes ensayo que permiten encontrar y analizar el comportamiento físico, químico y mecánico de las muestras estudiadas. En la Tabla 6 se muestran las variables dependientes e independientes utilizadas en el proyecto de investigación.
Tabla 6
Variables dependientes e independientes
Nombre Convención Tipo de variable
Ceniza de bagazo de caña CBCA INDEPENDIENTE
Cal hidratada C INDEPENDIENTE
Suelo de afirmado S INDEPENDIENTE
Límite líquido LL INDEPENDIENTE
Límite plástico LP INDEPENDIENTE
Gravedad específica Gs INDEPENDIENTE
Análisis granulométrico por tamizado GT INDEPENDIENTE
Análisis granulométrico por hidrómetro GH INDEPENDIENTE
Contenido orgánico MO INDEPENDIENTE
Determinación del contenido óptimo de cal por pH PH DEPENDIENTE
Equivalente de arena EA DEPENDIENTE
Contenido óptimo de humedad ωo DEPENDIENTE
Densidad seca máxima γd DEPENDIENTE
Relación de soporte CBR DEPENDIENTE
Compresión inconfinada σ DEPENDIENTE
Fuente: Elaboración propia
Diseño Experimental
Primera Fase: Recopilación de información y materiales.
Para el cumplimiento de esta primera fase inicialmente se realizó un recopilación de información tanto de los desechos agroindustriales producidos en Colombia como de los procesos de estabilización de suelos. Además de ello se realizaron cuatro procesos los cuales fueron de manera ordenada los siguientes: información importante de la zona de estudio, determinación y definición del diseño exploratorio, extracción del suelo de la cantera Salitre Blanco ubicada cerca de la zona de estudio y por último obtención de la ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBCA).
Segunda fase: Caracterización de los materiales
La segunda fase de esta investigación se divide en tres sub - fases (A, B y C) las cuales son: la debida caracterización tanto física como química para cada uno de los tres materiales principales (ceniza de bagazo de caña de azúcar, suelo y cal)
Segunda Fase (A): Caracterización de la ceniza de bagazo de caña de azúcar.
Luego de cumplir los cuatro procesos de la primera fase se procedió a realizar la caracterización física y química de la ceniza en estudio, para a través de sus resultados tener un indicio de cómo será el comportamiento cuando se realice su adición en ciertas proporciones porcentuales al suelo.
Los ensayos físicos que se realizaron fueron: granulometría por tamizado, límites de consistencia; límite líquido, limite plástico e índice de plasticidad y gravedad específica.
Segunda Fase (B): Caracterización del suelo
En esta fase se realizó la caracterización del suelo por medio de los siguientes ensayos físicos: Granulometría, límites de consistencia (límite líquido, limite plástico e índice de plasticidad), gravedad específica y determinación del contenido de humedad; además, se realizaron los siguientes ensayos mecánicos: Proctor Modificado de compactación, California Bearing Ratio (CBR) y resistencia a la compresión inconfinada.
Segunda Fase (C): Caracterización de la cal.
Además, se realizó el ensayo de estimación de la proporción de cal necesaria para estabilizar un suelo a través de la medida de PH para determinar la cantidad optima de Cal para el tipo de suelo en estudio con las tres diferentes cantidades porcentuales de ceniza de bagazo de caña de azúcar (6%,9% y 12%).
Tercera Fase: Mezclas de suelo con adición de ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBCA) y cal.
En esta fase basada en los antecedentes de estabilización de suelos con otro tipo de cenizas más cal, se toma la decisión de manejar las siguientes proporciones. Las cuales se encuentran dentro de los rangos viables de los antecedentes tanto de un tipo de ceniza como de cal para un suelo estabilizado: Suelo + 6% de CBCA, suelo + 9% de CBCA, suelo + 12% CBCA, Suelo +
6% de CBCA + 2% de Cal, Suelo + 6% de CBCA + 5% de Cal, Suelo + 6% de CBCA + 8% de Cal, Suelo + 9% de CBCA + 2% de Cal, Suelo + 9% de CBCA + 5% de Cal, Suelo + 9% de CBCA + 8% de Cal, suelo + 12% de CBCA + 2% de Cal, suelo + 12% de CBCA + 5% de Cal , suelo + 12% de CBCA + 8% de Cal y suelo + 5% de Cal; entendiéndose CBCA como la abreviatura para ceniza de bagazo de caña de azúcar.
Para las 13 mezclas mencionadas anteriormente se les realizaron los siguientes ensayos físicos: Límites de consistencia (limite líquido y limite plástico e índice de plasticidad, gravedad específica y determinación del contenido de humedad; en cuanto a los ensayos mecánicos se realizaron, Proctor modificado de compactación, California Bearing Ratio (CBR) y resistencia a la compresión inconfinada.
Cuarta Fase: Documento Final
Por último, recopilando la información de las tres fases anteriores se procedió a construir el documento final a través del análisis de resultados de cada uno de los ensayos practicados con sus respectivas conclusiones.
En la figura 1 se observa un diagrama que resume los ensayos realizados durante toda la investigación.
Figura 1. Plan de ensayos Fuente: Elaboración propia.
Procedimiento y Resultados Diseño Exploratorio
El material de afirmado fue obtenido de la cantera salitre blanco, ubicada en el municipio de utica a 10 km de la vereda Tobia- Nimaima (figura 2), en esta cantera principalmente se explota material de peña constituido por calizas de espesores potentes y pequeñas intercalaciones y limolita de la formación Utica (CONSULTORIA COLOMBIANA S.A., 2015).
Figura 2. Ubicación cantera salitre blanco Fuente: Imagen extraída de Google Maps
Esta fuente de materiales produce materiales de afirmado, subbase, base granular, agregados para concretos y agregados para mezclas asfálticas. Además, se observó que es una cantera a cielo abierto de gran extensión, en laderas de pendientes moderadas y que cuenta con título minero y licencia ambiental.
La fuente de materiales se encuentra en las rocas de la Formación Utica, la cual está conformada por una sucesión de arenitas arcósicas y líticas interestratificadas con lodolitas y limolitas negras y calizas micríticas, que aflora en el Anticlinorio de Villeta, entre las
La Formación Útica alcanza un espesor de 470 m; sin embargo, puede estar aumentado por efecto de fallas, de las que no se conoce su desplazamiento real. Esta unidad está constituida por una sucesión de arenitas subarcósicas y sublitoarenitas de grano fino a muy grueso,
conglomeráticas, en capas de conglomerados de gránulos y guijos; la secuencia es a menudo grano decreciente, en capas gruesas y muy gruesas; entre los fragmentos líticos se destacan las provenientes de rocas ígneas; se presentan intercalaciones rítmicas de limolitas y lodolitas negras, estratificadas en capas delgadas y medias. (Acosta Garay & Ulloa Melo, 2001)
Hauteriviano. García (1983) citado por (Acosta Garay & Ulloa Melo, 2001) reporta para la base de la formación un fósil (Nerinea decorate prette) del Jurásico medio. Villamil (1988) citado por (Acosta Garay & Ulloa Melo, 2001) realizó un estudio de los bivalvos encontrados en la sección Útica – Tobia y en La Magdalena, y determina tres especies, con las cuales le da un rango de edad entre Berriasiano y Valangiano.
Figura 3. Mapa geológico de la formación Utica (Kiut)
Fuente: Extraído de la plancha geologica 208 Villeta. Instituto de investigación e información geocientifíca, minero – ambiental y nuclear INGEOMINAS.(Acosta Garay & Ulloa Melo, 2001)
Caracterización Física
Determinación de los tamaños de las partículas de los suelos, norma I.N.V. E 123-13 Análisis por tamizado
Inicialmente se lleva una fracción del material de afirmado al horno con una temperatura constante de 110 °C por un periodo de 24 horas hasta que la masa fuera constante, con el fin de eliminar el contenido de humedad.
Posteriormente se determinó por medio de las partículas más grande, el tamaño máximo de la muestra, el cual fue de una pulgada y media; teniendo en cuenta este tamaño máximo se toma una porción mínima del suelo seco correspondiente a 3000g los cuales se dejaron sumergidos por un periodo de 24 horas, para posteriormente realizar el lavado del material sobre un tamiz N° 200, retirando de esta manera el material fino presente en la muestra.
El material que retiene el tamiz N° 200 es llevado al horno a una temperatura constante de 110 °C por 24 horas, para finalmente pasar el material completamente seco por una malla de tamices completa, con la cual se obtuvo una curva granulométrica detallada del material de afirmado. La malla utilizada para este procedimiento corresponde a 3", 1 1/2", 3/4", 3/8", N° 4, N° 8, N° 16, N° 30, N° 50, N° 100, N° 200 (figura 4)
Figura 4. Malla de tamices Fuente: Elaboración propia
