Influencia Del Porcentaje De Ceniza De Bagazo De Caña De Azúcar Activada Alcalinamente Sobre La Tensión Efectiva En Suelos Susceptibles A Licuación

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA. Escuela Profesional de Ingeniería Civil. TRABAJO DE INVESTIGACIÓN “INFLUENCIA DEL PORCENTAJE DE CENIZA DE BAGAZO DE CAÑA DE AZÚCAR ACTIVADA ALCALINAMENTE SOBRE LA TENSIÓN EFECTIVA EN SUELOS SUSCEPTIBLES A LICUACIÓN” PARA OPTAR EL TÍTULO DE. INGENIERO CIVIL AUTOR: Br. DELGADO LÓPEZ, Carol Ashlly Br. MENDOZA MELÉNDEZ, Ivette Anamile ASESOR: Dr. ALVARADO QUINTANA, Hernán.

(2) JURADO. PRESIDENTE ING. VÁSQUEZ ALFARO IVÁN EUGENIO N° CIP…………………………. SECRETARIO ING. PÉRRIGO SARMIENTO FÉLIX GILBERTO N° CIP…………………………. ASESOR DR. ALVARADO QUINTANA HERNÁN MARTÍN N° CIP………………………….

(3) DEDICATORIA Agradezco a Dios por guiarme en cada paso que doy y ayudarme a cumplir mis metas.. A mis padres John y Tachy por siempre. apoyarme y aconsejarme en cada aspecto de mi vida, por ser mi motor y motivo para ser una mejor persona día a día. A. mis. segundos. padres. Angelita;. Guillermo y Betty, por su constante. apoyo y motivación en cada etapa de mi vida. brindándome. incondicional.. su. amor. A mi papá Carlos, que siempre supo. guiarme y aconsejarme en todo el transcurso de mi vida, que sé ahora. comparte mis triunfos y alegrías desde el cielo. ¡Esto es por ti!. A mis hermanos Sandy y Ángel por su. constante apoyo para lograr mis metas y. estar presente siempre a mi lado, alegrándome y motivándome.. i. Carol Delgado.

(4) DEDICATORIA Agradecer a Dios por conducir y guiar mi camino para lograr una de mis metas. y por tener unida a mi familia que es mi motivo.. A mis padres Elger y Lady por brindarme su apoyo incondicional y por. su esfuerzo día a día, motivándome a ser mejor persona.. A mis segundos padres Marcelino y Graciela, por estar a mi lado en cada momento brindándome sus consejos compartiendo mis triunfos y alegrías.. A mi mamita Nimia por sus consejos y sé. que ahora comparte conmigo esta alegría desde el cielo. Con mucho amor para ti.. A mis hermanos Ellery y Ellison que siempre me brindan sus consejos y estar allí cuando más los necesito.. Anamile Mendoza. ii.

(5) AGRADECIMIENTO Al Dr. Hernán Alvarado Quintana por. guiarnos y brindarnos conocimientos en el desarrollo del presente trabajo de investigación, permiso. para. además. de. desarrollar. darnos. nuestra. investigación en el Laboratorio de Cerámicos y Suelos.. Al director de Escuela de Ingeniería Civil Ing. Alex Díaz Díaz, por guiarnos y. saber encaminar a la escuela al éxito, así como a los demás docentes de la escuela de Ingeniería Civil. Al Ing. Iván Vásquez Alfaro por brindarnos. conocimientos profesionales.. su. para. dedicación ser. y. mejores. Al Ing. Juan Manuel Urteaga, por. brindarnos su amistad y todo su apoyo para. el. desarrollo. investigación. Al Ing. Jorge Barrantes por brindarnos. su amistad, conocimientos y orientarnos. en el manejo de los equipos del Laboratorio de Cerámicos y Suelos.. Los Autores iii. de. nuestra.

(6) RESUMEN El fenómeno de licuación de suelos es uno de los problemas que mayores consecuencias ha generado en los últimos años sobre las estructuras y pavimentos, como se dio en los terremotos de Chile (2007) y México (2017), éste se produce principalmente en suelos. arenosos con pocos finos, que presenten una baja compacidad, además de estar en presencia de elevada napa freática. Según INDECI y UNT (2002), la urbanización El Golf. en el distrito Víctor Larco, provincia Trujillo, departamento La Libertad, presenta las características expuestas.. Es por eso que la presente investigación se evaluó la influencia del porcentaje de Ceniza. de Bagazo de Caña de Azúcar (CBCA) activada alcalinamente sobre la tensión efectiva para disminuir el riesgo de licuación de suelos de la urbanización El Golf.. Las materias primas utilizadas fueron: CBCA extraída de los calderos de la empresa Agroindustrial Laredo, suelo arenoso limoso de la Urb. El Golf e hidróxido de sodio. (NaOH). Se realizó el estudio de la caracterización del suelo, luego para estabilizar el suelo se empleó la CBCA activándola con disoluciones de NaOH 10M y 8M en una relación de líquido/sólido de 0.3, los resultados fueron evaluados a resistencia a la compresión según Norma ASTM D2166, a periodos de 3,7 y 14 días de curado, el cual nos permitió definir que la mejor concentración de NaOH fue 10M.. Finalmente se realizaron probetas con porcentajes de CBCA activada alcalinamente: 10%, 15% y 20% en peso respecto al suelo, 15 probetas para ensayos de resistencia a la compresión triaxial según Norma ASTM D2850 dando como mejor resultado el 15% con 1851 KPa respecto al patrón de 1300 KPa, pero al incrementar al 20% se observó que la. resistencia disminuyó en un 8 % debido a un incremento de la cantidad de sílice sin reaccionar que presentó la CBCA y además 2 probetas para el ensayo triaxial según. Norma ASTM D4767, con el mejor porcentaje; lo que permitió comparar con el suelo. patrón, dando como resultado un incremento en la tensión efectiva del suelo con un 15%. de CBCA activada alcalinamente de 301 KPa a 649 KPa, con lo cual se demostró que al suelo del estrato N° 03 (2.00 m a 3.00m) de ser no cohesivo adquirió un comportamiento. denso y rígido, de tal manera que permita reducir el riesgo de licuación, este insumo es. aprovechado por ser residuos de las industrias de manera que resulta ser un material económico y accesible, generando grandes beneficios a la empresas constructoras. iv.

(7) ABSTRACT The soil liquefaction is one of the biggest problems that has caused damage on buildings. and pavements in the last years, such as earthquakes in Chile (2007) and Mexico (2017),. this phenomenon happens especially in sandy soils and soils with few fine materials,. lower relative density and high ground water level. According to INDECI y UNT (2002) the Golf Urbanization soil, Víctor Larco district, Trujillo province, La Libertad department, presents the described characteristics.. This research evaluated the influence of the percentage of Alkali-Activated Sugarcane Bagasse Ash (SCBA), on the effective stress to reduce the risk of liquefaction of soils in the El Golf Urbanization, Victor Larco District.. The raw materials used were: sugarcane bagasse ash extracted from the cauldron of the Agroindustrial Laredo Company, Trujillo province; sandy-loam soils of the El Golf Urbanization and sodium hydroxide (NaOH).. The first step was the study of the soil characterization. In order to stabilize the soil,. sugarcane bagasse ash was activated by using solutions of 10M NaOH and 8M NaOH in. one liquid / solid ratio of 0.3, The results were evaluated to Compression Resistance according to ASTM D2166 standard, at periods of 3, 7 and 14 days of curing, which allowed us to determine that the best NaOH concentration was 10 M.. Finally, there were specimens with percentages of alkali-activated SCBA: 10%, 15% and 20% by weight, respect to the soil, 15 specimens were tested for Triaxial Compression Test according to ASTM D2850, so the best percentage obtained was 15% with 1851 KPa respect to the Pattern with 1300 KPa, but using 20 % the resistance decreases by 8 % due. to an increase in the amount of silica present in sugarcane bagasse ash, and 2 specimens were tested for Triaxial Compression Test according to ASTM D4767,with this. percentage we compared with the with soil pattern, from the obtained results, it was. demonstrated that there was an increase in effective soil stress with 15% of alkali-. activated SCBA from 301 KPa to 649 KPa,that showed the soil of stratum N°03 (2.00 m a 3.00m) being non cohesive acquired a dense and stiffness behavior, in such a way to. allow us to reduce the risk of liquefaction,this material is used as waste from the industries, so it turns out to be an economic and accessible material, generating great benefits to the population and construction companies. v.

(8) ÍNDICE GENERAL DEDICATORIA .......................................................................................................... i. AGRADECIMIENTO ............................................................................................... iii RESUMEN ................................................................................................................. iv ABSTRACT ................................................................................................................ v I.. INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 1. 1.1.. REALIDAD PROBLEMÁTICA..................................................................... 1. 1.3.. HIPÓTESIS .................................................................................................... 4. 1.2. 1.4. 1.5.. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA............................................................. 4 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................... 4 OBJETIVOS DE INVESTIGACIÓN .............................................................. 6. 1.5.1. 1.5.2.. Objetivo General...................................................................................... 6. Objetivos Específicos .............................................................................. 6. II. MARCO TEÓRICO ............................................................................................ 8 2.1. 2.2.. Antecedentes .................................................................................................. 8. Bases Teóricas .............................................................................................. 10. 2.2.1.. Licuación de suelos................................................................................ 10. 2.2.3.. Geopolímeros ........................................................................................ 24. 2.2.2. 2.2.4. 2.2.5. III.. 2.2.6.. 3.1.. Estabilización de suelos a partir de activación alcalina ........................... 19. Activadores alcalinos ............................................................................. 28. Ensayo triaxial ....................................................................................... 29 Módulo de deformación ......................................................................... 34. MATERIAL Y MÉTODOS ........................................................................... 36. OBJETO DE ESTUDIO ............................................................................... 36. 3.1.1. 3.1.2.. Universo ................................................................................................ 36. Universo muestral .................................................................................. 36 vi.

(9) 3.1.3. 3.1.4.. Muestra ................................................................................................. 36 Material Estabilizante ............................................................................ 36. 3.2.. MÉTODOS Y TÉCNICAS ........................................................................... 37. 3.3.. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ....................................................... 38. 3.2.1.. Diseño experimental .............................................................................. 37. A. Calicatas en la Urb. El Golf ............................................................................ 38. B. Caracterización del Suelo ............................................................................... 37 C. Porcentaje óptimo de activador alcalino. ........................................................ 38. D. Preparación de las muestras............................................................................ 37 E. Compresión triaxial UU, 2.8” de diámetro ASTM D2850 .............................. 38. F. Compresión triaxial CU, 2.8” de diámetro ASTM D4767 ............................... 38 G. Análisis y discusión de resultados .................................................................. 38 IV.. H. Conclusiones y recomendaciones ................................................................... 38 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ........................................... 50. V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................ 73 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 75 APÉNDICES ............................................................................................................. 81. ANEXOS ................................................................................................................. 103. vii.

(10) ÍNDICE DE TABLAS TABLA II.1.PROCESO DE MODIFICACIÓN EN LA QUEMA DE LA CENIZA DE BAGAZO .......... 22. TABLA II.2.COMPOSICIÓN QUÍMICA DE CBCA CUBANO. ............................................... 23 TABLA II.3.COMPOSICIÓN QUÍMICA DE CENIZA DEL BAGAZO PERUANO. ......................... 23 TABLA II.4. REQUISITOS QUÍMICOS DE LAS PUZOLANAS. ............................................... 23. TABLA II.5. REQUISITOS FÍSICOS DE LAS PUZOLANAS. ................................................... 24. TABLA III.1.NIVELES DE VARIABLES DE ESTUDIO .......................................................... 37 TABLA III.2.FORMATO DENSIDAD DE CAMPO ................................................................ 39. TABLA III.3.FORMATO DENSIDAD RELATIVA................................................................. 40 TABLA III.4.FORMATO GRANULOMETRÍA...................................................................... 41 TABLA III.5.FORMATO HIDROMETRÍA ........................................................................... 42. TABLA III.6.FORMATO LÍMITE LÍQUIDO ........................................................................ 43. TABLA III.7.FORMATO LÍMITE PLÁSTICO ...................................................................... 44. TABLA III.8.FORMATO CONTENIDO DE HUMEDAD ......................................................... 45. TABLA III.9.FORMATO DE GRAVEDAD ESPECÍFICA ........................................................ 45 TABLA III.10.FORMATO EQUIVALENTE DE ARENA ......................................................... 46. TABLA IV.1.RESUMEN DE ENSAYOS DE E N°02 ............................................................ 50 TABLA IV.2.RESULTADOS DE CRITERIOS DE LICUACIÓN E N°02 .................................... 51 TABLA IV.3.DENSIDADES RELATIVAS DE LOS SUELOS. ................................................. 52. TABLA IV.4.RESUMEN DE ENSAYOS DE E N°03 ............................................................ 53 TABLA IV.5.RESULTADOS DE CRITERIOS DE LICUACIÓN E N°03 .................................... 54. TABLA IV.6.PARÁMETROS DE SUELO EN CONDICIONES NO DRENADAS. .......................... 64 TABLA A.1.ENSAYO DE CONO DE ARENA ...................................................................... 82. TABLA A.2.ENSAYO DE DENSIDAD RELATIVA ............................................................... 83 TABLA A.3. ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO C N°01- E N°02. .......................................... 84 TABLA A.4. ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO C N°02- E N°02. .......................................... 85. TABLA A.5.ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO C N°03- E N°02. ........................................... 86 TABLA A.6.ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO C N°01- E N°03 ............................................ 87 TABLA A.7.ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO C N°02- E N°03 ............................................ 88 TABLA A.8.ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO C N°03- E N°03 ............................................ 89. TABLA A.9. LÍMITE LÍQUIDO DE LA C N°01, 02, 03 DEL E N° 02. ................................... 90. TABLA A.10. LÍMITE LÍQUIDO DE LA C N°01, 02, 03 DEL E N° 03. ................................. 91 viii.

(11) TABLA A.11.TABLA DE ESTIMADOS DE PRECISIÓN DE LÍMITE LÍQUIDO. .......................... 92 TABLA A.12.LÍMITE PLÁSTICO DEL E N° 02. ................................................................. 92 TABLA A.13.LÍMITE PLÁSTICO DEL E N° 03. ................................................................. 93. TABLA A.14.TABLA DE ESTIMADOS DE PRECISIÓN DE LÍMITE PLÁSTICO ......................... 93 TABLA A.15.LÍMITES DE ATTERBERG DE LOS ESTRATOS N° 02 Y 03. ............................. 94 TABLA A.16.CONTENIDO DE HUMEDAD DEL ESTRATO N° 02 Y 03. ................................. 94. TABLA A.17.GRAVEDAD ESPECÍFICA DEL E N° 03. ....................................................... 95 TABLA A.18.EQUIVALENTE DE ARENA DEL E N°03. ...................................................... 95 TABLA A.19.PERFIL ESTRATIGRÁFICO.......................................................................... 96. TABLA B.1.ENSAYO DE HIDROMETRÍA CBCA .............................................................. 97 TABLA B.2.GRAVEDAD ESPECÍFICA DE LA CBCA ......................................................... 97. TABLA B.3.RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN NO CONFINADA ......................................... 98. TABLA C.1.DATOS DE CONFORMADO DE PROBETAS ...................................................... 99. TABLA D.1.RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN A TRES NIVELES DE CONFINAMIENTO ....... 100 TABLA D.2.RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN UU A 40 KPA ......................................... 100 TABLA E.1.SATURACIÓN SUELO PATRÓN .................................................................... 101. TABLA E.2.SATURACIÓN 15% CBCA ACTIVADA ALCALINAMENTE ............................. 101 TABLA E.3.CONSOLIDACIÓN SUELO PATRÓN ............................................................... 102 TABLA E.4.CONSOLIDACIÓN 15% CBCA ACTIVADA ALCALINAMENTE ........................ 102. TABLA E.5. TENSIÓN EFECTIVA .................................................................................. 102. ix.

(12) ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA I.1.PROCESO DE LICUACIÓN DE SUELOS. ............................................................. 1 FIGURA I.2.ZONAS SÍSMICAS DEL PERÚ. ......................................................................... 2. FIGURA I.3.ZONAS SÍSMICAS DE TRUJILLO. .................................................................... 3 FIGURA II.1.ESTADO DE LAS ARENAS FRENTE A LICUACIÓN. ......................................... 10. FIGURA II.2.ESQUEMA DEL PROCESO DE LICUEFACCIÓN. ............................................... 11 FIGURA II.3.ESFUERZOS TOTALES Y EFECTIVOS. ........................................................... 12. FIGURA II.4.A) UNIÓN DE PARTÍCULAS (B) SEPARACIÓN DE PARTÍCULAS. ...................... 13 FIGURA II.5.VOLCAMIENTO DE EDIFICIOS EN NIIGATA, JAPÓN ...................................... 13. FIGURA II.6.PÉRDIDA DE CAPACIDAD DE CARGA EN LICUACIÓN. .................................... 18 FIGURA II.7.PROCESO DE PRODUCCIÓN DE LA CBCA. ................................................... 21. FIGURA II.8.ESTRUCTURA CRISTALINA Y AMORFA. ....................................................... 25 FIGURA II.9.MODELO DE POLIMERIZACIÓN. .................................................................. 27. FIGURA II.10. ESFUERZOS A LOS QUE SE SOMETE LA MUESTRA UU. ............................... 30 FIGURA II.11. ESQUEMA DE EJEMPLO DE SATURACIÓN DE UN ESPÉCIMEN. ...................... 31 FIGURA II.12. ETAPA DE CONSOLIDACIÓN. .................................................................... 32 FIGURA II.13. ETAPA DE CORTE. ................................................................................... 33. FIGURA II.14. IDEALIZACIÓN DE ESFUERZO SOBRE DEFORMACIÓN UNITARIA. ................. 35. FIGURA III.1.PROBETAS PARA ENSAYO DE COMPRESIÓN TRIAXIAL UU - CU .................. 36. FIGURA III.2.DIAGRAMA EXPERIMENTAL DE LA INVESTIGACIÓN.................................... 38 FIGURA IV.1.LÍMITES GRANULOMÉTRICOS PARA LICUACIÓN E N°02 ............................. 51 FIGURA IV.2.DENSIDAD RELATIVA PARA LICUACIÓN. ................................................... 52. FIGURA IV.3.LÍMITES GRANULOMÉTRICOS PARA LICUACIÓN E N°03 ............................. 54 FIGURA IV.4.DIFRACTOGRAMA DE LA CBCA SIN MOLIENDA. ....................................... 55. FIGURA IV.5.DIFRACTOGRAMA DE LA CBCA CON MOLIENDA. ...................................... 56 FIGURA IV.6.PORCENTAJE QUE PASA SOBRE EL DIÁMETRO DE CBCA ............................ 57. FIGURA IV.7.PORCENTAJE QUE PASA SOBRE EL DIÁMETRO DE CV. ................................ 57. FIGURA IV.8.RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN NO CONFINADA ....................................... 58 FIGURA IV.9.COMPARACIÓN CENIZA VOLANTE Y CBCA............................................... 59. FIGURA IV.10.ESFUERZO DESVIADOR SOBRE DEFORMACIÓN AXIAL ............................... 60 FIGURA IV.11.RESISTENCIA AL CORTE PROMEDIO UU .................................................. 61. FIGURA IV.12.ESFUERZO SOBRE DEFORMACIÓN AXIAL UU ........................................... 63 x.

(13) FIGURA IV.13.MÓDULO DE YOUNG UU ....................................................................... 63. FIGURA IV.14.PROCESO DE SATURACIÓN CU EN HORAS................................................ 65 FIGURA IV.15.CONSOLIDACIÓN EN LOGARITMO. .......................................................... 66 FIGURA IV.16.ESFUERZO SOBRE DEFORMACIÓN AXIAL Y MÓDULO DE YOUNG. ............. 68. FIGURA IV.17.TENSIÓN EFECTIVA. ............................................................................... 68. FIGURA IV.18.CAMBIO DE LA PRESIÓN DE POROS SOBRE DEFORMACIÓN AXIAL. ............. 70 FIGURA A.1. CURVA GRANULOMÉTRICA C N°01- E N°02. ............................................ 84 FIGURA A.2.CURVA GRANULOMÉTRICA C N°02- E N°02. ............................................. 85 FIGURA A.3.CURVA GRANULOMÉTRICA C N°03- E N°02. ............................................. 86 FIGURA A.4.CURVA GRANULOMÉTRICA C N°01- E N°03 .............................................. 87 FIGURA A.5.CURVA GRANULOMÉTRICA C N°02- E N°03 .............................................. 88 FIGURA A.6.CURVA GRANULOMÉTRICA C N°03- E N°03 .............................................. 89. FIGURA A.7. FLUIDEZ DE LAS C N° 01, 02, 03 DEL E N°02. ........................................... 90 FIGURA A.8. FLUIDEZ DE LAS C N° 01, 02, 03 DEL E N°03. ........................................... 91. xi.

(14) I.. INTRODUCCIÓN. 1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA. La licuación del suelo es una preocupación importante para las estructuras. construidas en suelos arenosos. El fenómeno de licuación del suelo ha sido reconocido desde hace muchos años, como lo sucedido en los terremotos de Niigata (Japón) y Alaska en 1964, que fueron sin duda los casos que concentraron. la atención mundial. Desde 1964, se ha trabajado mucho para explicar y entender la licuación del suelo (Robertson y Wride, 2009).. Según Crespo (2006) “Este fenómeno se considera un proceso no drenado, el cual evita que el agua salga del estrato licuado, y mayormente ocurre en suelos de. comportamiento granular que tengan una distribución de partículas uniformes y con cierta cantidad o contenido de materiales fino como limos o arcillas, es decir gravas y arenas gradadas, arenas finas y arenas limosas”. La licuación genera la pérdida de la resistencia al corte, debido a la incidencia de ondas sísmicas en él.. Figura I.1.Proceso de licuación de suelos. (Alonso, 2016). En México, el 20 de setiembre del 2017 se produjo un terremoto de magnitud 8.1 en escala de Richter, donde se observó que el centro de la Ciudad de México es. notoriamente vulnerable debido al terreno suave y húmedo que hay debajo. El terreno amplifica la sacudida como gelatina en un plato, y es propenso a la licuefacción, que es la habilidad de transformar el lodo en un líquido denso cuando está suficientemente revuelto (Vidale, 2017).. La ocurrencia de licuación de suelos en el Perú, está determinada por ser una de las regiones sísmicas más activas en el mundo. La actividad sísmica en esta región 1.

(15) es principalmente causada por la subducción de la Placa de Nazca debajo de la Placa Sudamericana (Hurtado, 2007).. La norma E.030 de diseño sismoresistente divide al Perú en cuatro zonas sísmicas. en base a su peligrosidad, en la cual la costa peruana esta ubicada en la zona IV de alta vulnerabilidad sísmica.. Costa del Perú. Figura I.2.Zonas Sísmicas del Perú. (Norma E.030, 2016). Varios investigadores han recopilado información histórica sobre los eventos sísmicos más importantes que ocurrieron en el Perú desde el siglo XVI hasta el presente. Se presentaron dos casos de terremotos que indujeron la licuación de. suelos: el evento de Chimbote del 31 de mayo de 1970 en la costa peruana y el terremoto de Pisco del 15 de agosto del 2007 donde se observó que la tierra se. abrió en algunos lugares, además expelió chorros de polvo y agua con ruido pavoroso, produciéndose el fenómeno de licuación de suelos (Tavera y Bernal, 2008).. El silencio sísmico en Trujillo durante 46 años nos deja más vulnerables, el último terremoto que se registró fue en 1970, en el cual los 4 distritos costeros de la provincia que se verían más afectados serían: Huanchaco, Víctor Larco, Salaverry y Moche. En general la ciudad de Trujillo presenta un suelo homogéneo; arena. pobremente graduada de grano fino a medio, que varía en potencia, compacidad y resistencia en los diferentes sectores de la ciudad (INDECI y UNT, 2002).. Bocanegra (2014) “Trujillo está a 34 metros sobre el nivel del mar, lo que significa que prácticamente está en una hondonada y si no hay control de la napa freática, 2.

(16) la ciudad será un gran pantano”. Indicó que hace unos 20 años, la napa freática de la ciudad era de 30 a 25 metros por lo cual demandó la urgente intervención de las autoridades para que el daño no sea mayor.. Según INDECI y UNT (2002) el perfil de suelo encontrado en el distrito Víctor Larco presenta una capa superficial de arena limosa (SM), de grano fino contaminada con material orgánico, alcanza profundidades de 1,20 m. El estrato. subyacente es arena limosa pobremente graduada de grano fino (SP-SM), color amarillo y plomo con diferentes porcentajes de limo orgánico no plástico,. medianamente densa. Alcanza profundidades de 4 m, en esta zona se encuentra el nivel freático casi superficial.. El PLANDET (2012) indica un nivel freático (NAF) a la altura de 1.00 m, debido. a que las zonas mayormente cultivadas con caña de azúcar utilizan más las aguas. de la Segunda Etapa del Proyecto CHAVIMOCHIC para sus riegos, además de encontrarse en la zona IV de peligro sísmico en el mapa de Trujillo realizado por el INDECI, por lo que esta zona es susceptible de licuación de suelos.. Distrito Víctor Larco. Figura I.3.Zonas Sísmicas de Trujillo. (INDECI y UNT, 2002). 3.

(17) Uno de los principales problemas que presentan las carreteras no pavimentadas es. la inestabilidad de los suelos; para corregirlo se usan variadas técnicas de. estabilización de suelos; una de las formas, es aquella que se realiza utilizando productos químicos no tóxicos que dotan a estos suelos un mejor comportamiento en servicio (Gutierrez, 2010).. La Estabilización de suelos tiene como objetivo mejorar las características físico mecánicas de los suelos naturales existentes, se realizaron estudios con diversos. insumos tales como: la cal, ceniza volante, ceniza de carbón, escoria de alto horno,. cemento y geopolimeros, de esta manera incrementaria la resistencia y disminuiria la compresibilidad para tener suelos más durables.. En los últimos años la activación alcalina se ha convertido en uno de los procesos. más importantes para la estabilización del suelos, debido a que los materiales de. aluminosilicatos de origen natural o industrial (ceniza de bagazo de caña, cenizas. volantes, cenizas de carbón, etc.), pueden transformarse en esqueletos de cemento. compactos cuando se mezclan con una solución altamente alcalina. Existen diferentes grupos de agentes activadores como: alcalinos (NaOH, KOH), silicatos,. aluminatos, aluminosilicatos, sales de acidos débiles y fuertes (Duxson, Fernández, y Provis, 2006).. 1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. ¿Cuál es la influencia del porcentaje de ceniza de bagazo de caña activada alcalinamente sobre la tensión efectiva en suelos susceptibles a licuación de la Urb. El Golf?. 1.3. HIPÓTESIS. La adición de un porcentaje de ceniza de caña activada alcalinamente aumentaría la tensión efectiva, siendo menor la probabilidad de ocurrencia del fenómeno de licuación de suelos areno limosos en la Urb. El Golf.. 1.4. JUSTIFICACIÓN. Para la Ingeniería Civil es de gran importancia el estudio del comportamiento del suelo, debido a que este es la base de toda obra civil. Se debe estudiar a detalle como es el tipo de cimentación donde se va a apoyar la estructura, hacer los ensayos respectivos, para ello debemos saber cómo ingenieros constructores los 4.

(18) diferentes tipos de suelos que encontramos cuando hacemos una excavación (Tavera y Bernal, 2008).. El fenómeno de licuación de suelos no ha sido estudiado a profundidad en nuestro. país, entonces la carencia de estudios desde el año 2002 hasta la actualidad sobre licuación de suelos nos hace más susceptibles a este problema, ya que no se cuenta con información necesaria para poder hacer frente y disminuir los riesgos que. conlleva. Estudios de suelos nos permitirían determinar el estado actual en el cual se encuentran nuestros suelos y poder seleccionar el material idóneo para lograr su estabilización y que de esta manera sean óptimos para cimentar. Las Normas Peruanas tienen un vacío en nuevos insumos que logren estabilizar los suelos,. existen diferentes insumos alternativos como en la presente investigación se optó por el uso de la ceniza de bagazo de caña para estabilizar el suelo de la Urb. El. Golf, su uso es de gran importancia ya que aquí se ve el aprovechamiento de. materiales de desecho para convertirlos en materiales que puedan añadir grandes. beneficios a los suelos y generando menor costo respecto al empleo de la cal como estabilizante, pero la ceniza por sí sola no actúa debido a que no posee capacidad de actividad hidráulica entonces está debe ser mezclada con elementos activadores que generen compuestos con propiedades aglomerantes.. Según Petermann y Saeed (2012) el activador hidróxido de sodio ha dado buenos resultados en la producción de geopolímeros, a más concentraciones en las muestras aumenta la velocidad dando así altas resistencias a la compresión,. también reduciendo la porosidad sin importar el tipo de fuente de aluminosilicatos,. dándole la resistencia adecuada al suelo para poder resistir los efectos de las ondas sísmicas sumado a la elevada napa freática que presente, para que de esta manera aumente la tensión efectiva haciéndolo resistente para prevenir daños por licuación.. La influencia de este fenómeno conlleva a la necesidad de utilizar equipos más especializados para su evaluación a nivel de estudio dinámico. En el Perú sólo se cuenta con equipos estáticos, por tal motivo esta investigación se basó en el equipo. de compresión triaxial consolidad no drenado, el cual mide la presión de poros y. la tensión efectiva de los suelos, siendo parámetros importantes para evaluar la licuación de suelos.. 5.

(19) Se afirma que la Urb. El Golf se encuentra sobre un depósito de arena limosa (SM) con niveles superficiales de agua, haciéndolo susceptible a sufrir licuación, cuyas. consecuencias serían: asentamientos diferenciales y daños a las edificaciones (INDECI y UNT, 2002). Existe un gran desconocimiento sobre lo concerniente al fenómeno de licuación. de suelos en la Urb. El Golf, tanto en la población como en las autoridades principalmente, las cuales debe dar a conocer las medidas preventivas de la situación para evitar mayores riesgos.. Se pretende alcanzar resultados favorables con el empleo de la ceniza de bagazo de caña activada alcalinamente, beneficiando así principalmente a los ciudadanos. y a las empresas constructoras que se dediquen a la estabilización de suelos, ya que se brinda una alternativa factible debido a la accesibilidad y de bajo costo de los insumos, ya que en la actualidad no existen empresas que usen este tipo de. estabilización, en tal sentido esta investigación servirá de base para futuros estudios sobre de licuación de suelos.. 1.5. OBJETIVOS DE INVESTIGACIÓN 1.5.1. Objetivo General.  Evaluar la influencia de la adición de ceniza de bagazo de caña activada alcalinamente sobre la tensión efectiva en suelos arenosos. limosos para disminuir el riesgo de licuación del suelo en la Urb. El Golf.. 1.5.2. Objetivos Específicos.  Determinar las características del suelo: densidad in situ ASTM D1556, densidad relativa ASTM D2049, granulometría por tamizado e hidrómetro ASTM D422, límites de Atterberg ASTM D4318, contenido de humedad ASTM D2216, gravedad específica ASTM D854 y valor equivalente de arena ASTM D 2419..  Elaborar el perfil estratigráfico del suelo de la Urb. El Golf..  Definir la mejor concentración de hidróxido de sodio entre 8M y 10M para la ceniza de bagazo de caña mediante compresión no confinada..  Detallar los valores de resistencia a la compresión triaxial no consolidado no drenado ASTM D2850 para el suelo de la Urb. El Golf 6.

(20) variando el porcentaje de ceniza de bagazo de caña activada alcalinamente..  Analizar el suelo de la Urb. El Golf y el mejor porcentaje de adición de ceniza de bagazo de caña activada alcalinamente mediante. resistencia a la compresión triaxial consolidado no drenado ASTM D4767.. 7.

(21) II.. MARCO TEÓRICO. 2.1. Antecedentes. Torres (2015) “Reutilización de residuos vítreos urbanos e industriales en la fabricación de cementos alcalinos. Activación, comportamiento y durabilidad”,. realizado en el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja en Madrid - España, planteó preparar nuevos materiales cementantes a través de la activación alcalina de diferentes residuos o subproductos industriales como la. ceniza volante; la metodología consistió principalmente en la preparación de las diferentes disoluciones activadoras empleadas, así como la preparación de las. pastas de ceniza volante activada alcalinamente. Para ello, se realizaron estudios de la ceniza volante, donde luego prepararon disoluciones de 8 M y 10 M de. hidróxido de sodio, a una relación líquido/sólido de 0.3, los cuales fueron. evaluados a la resistencia a la compresión no confinada. Los resultados indicaron que la mejor disolución fue 10M con resistencia de 250 KPa y 210 KPa a 8M , a los 7 días de curado.. Perez y Ribero (2008) “Evaluacion de la capacidad cementante de la ceniza de caña y ceniza volante para suelos granulares limpios”, realizado en la Universidad. Industrial de Santander en Bucaramanga - Colombia, cuyo objetivo fue determinar la capacidad cementante de la ceniza de caña y ceniza volante para suelos granulares limpios se utilizaron probetas con porcentajes en peso (%) de: 5,10,15. y 20 para mezclas de arena-ceniza volante y para la mezcla arena-ceniza de caña. los mismos de la mezcla anterior más 30,40 y 50 % de mezclas de arena-ceniza. de caña. Los mejores resultados se encuentran entre los porcentajes de 10-15 y 20% para la mezcla de arena-ceniza de caña los esfuerzos fueron 39, 52 y 103KPa.. Se observo que la mezcla arena-ceniza de caña tiene mayor capacidad cementante que la mezcla arena-ceniza volante, en cuanto que para un mismo esfuerzo, se producen mayores deformaciones en la mezcla con ceniza volante. García (2007) “Análisis comparativo del fenómeno de licuación en arenas.. Aplicación a Tumaco (Colombia)”, realizado en Universidad Politécnica de Catalunya en Barcelona - España, cuyo objetivo fue el estudio el fenómeno de. licuación en Tumaco, se realizaron una serie de ensayos triaxiales consolidados. no drenados midiendo presión de poros. Para ello, las muestras se consolidaron 8.

(22) isotrópicamente a presiones de consolidación que fluctuaron entre 48 y 1500 kPa (σ´c = 48, 72, 84, 120, 720, 100, 1300 y 1500 kPa). Para llevar a cabo los ensayos,. las muestras se prepararon en condición húmeda, compactándolas en capas de 1 cm de espesor con el fin de garantizar una homogeneidad en las condiciones. iniciales de la muestra, Los resultados de las pruebas de laboratorio muestran que las probetas consolidadas a bajas presiones exhiben un comportamiento dilatante,. mientras que las probetas consolidadas a presiones de confinamiento altas. presentan comportamiento contráctil. Se concluye que las probetas sometidas a elevadas presiones de consolidación (σ´c = 1500 KP a) se comportan como una arena suelta, mientras que para presiones intermedias se comporta como una arena. medianamente densa y finalmente para bajas presiones de consolidación , el comportamiento es el de una arena densa.. Torres (2016) “Análisis del comportamiento de licuación por flujo de arena del. depósito cuaternario de Paipa (Boyacá)”, realizado en Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, cuyo objetivo fue determinar los parámetros de. licuación por flujo del material ante la aplicación de una carga monotónica, el. material se puede caracterizar como una arena limosa, bien gradada, con contenido de finos cercano al 30%. Se ensayaron 9 muestras mediante el ensayo triaxial monotónico no drenado, las cuales fueron construidas a través de los métodos de apisonamiento húmedo (M1 a M6) y de sedimentacion en agua (M7. a M9), de acuerdo con la composición granulométrica del material y con diferentes valores de densidad relativa. Los resultados de las muestras con el método de apisonamiento húmedo fueron de diferentes densidades y presiones: M2(40.5%), M4(64.4%) y M6(86.4%) a 400KPa; M3(64.4%), M5(86.5%) a. 200KPa; y M1 (18.3%) a 100KPa presenta una curva con tendencia contractiva a. dilatante; y para las muestras con el método de sedimentación en agua a una densidad promedio de 65.4 % y a presiones de 100, 200 y 400 KPa, presentan una curva con tendencia contractiva a dilatante en la que su esfuerzo desviador. promedio fue de 400 KPa, donde las cuáles tienden a alcanzar los mismos valores máximos de esfuerzo. Por lo tanto el potencial de licuación disminuyó debido al alto contenido de finos, además de que no logran pasar la línea del estado crítico para licuación.. 9.

(23) 2.2. Bases Teóricas. 2.2.1. Licuación de suelos. La probabilidad de ocurrencia de sismos depende del grado de actividad y. estructura geotécnica de cada área. Los sismos alteran la resistencia del suelo, una de las consecuencias observadas es el fenómeno de licuación de los suelos, haciendo que este pierda totalmente su resistencia y rigidez, volviéndolo inestable y peligroso para cimentar (Ballantyne, 2007).. El aumento de la presión los poros inducido en la actividad sísmica es lo. que genera el fenómeno de la licuación, esto conlleva a graves fallas en el. suelo tales como hundimientos, desplazamientos laterales y asentamientos de las estructuras (Kramer y Stewart, 2008). En la Figura II.1 se puede observar el comportamiento del suelo antes, durante y después del sismo.. Figura II.1.Estado de las arenas frente a Licuación. (Mussio, 2012).  Definición de la licuación. Al producirse un terremoto (vibraciones producidas), se genera un. aumento de la presión de poros presentes en el suelo; alterando su estado natural, provocando de esta forma que las partículas se dispersen, haciendo que el suelo se convierta en un líquido sin resistencia (Kramer y Stewart, 2008).. Como lo afirma Crespo (2006) un suelo arenoso se licua al punto de que. pierde su resistencia al corte igualando con la del agua y se comporta como un semilíquido o líquido (fluido). La presencia de la presión que ejerce el agua conocida como presión de poros hace que pierda su tensión efectiva de tal manera que pierda su resistencia al corte. 10.

(24) Como lo afirma Greene, Youd, y Power (2006) los factores responsables. de la licuación de los suelos, son las siguientes: las ondas sísmicas, en especial las ondas de corte, que cuando entran en contacto con los suelos granulares saturados, alteran su estructura granular además del. reordenamiento de los grupos sueltos de partículas, como muestra la figura II.2, este reordenamiento de las partículas produce un incremento en la presión de poros.. Figura II.2.Esquema del proceso de Licuefacción. (Greene, Youd, y Power, 2006).  Tensión efectiva. El suelo es una estructura de partículas sólidas en contacto, formando un sistema intersticial de vacíos intercomunicados. Los vacíos del suelo están. total o parcialmente llenos de agua. La tensión efectiva tiene relación con la presión que existe entre cada partícula de suelo.. La compresibilidad de un suelo sujeto a carga o descarga, es principalmente su capacidad de deformación de vacíos, usualmente por. desplazamiento de agua. La resistencia de un suelo es su capacidad última de resistencia a tal carga.. Los esfuerzos cortantes sólo pueden ser resistentes por la estructura de las. partículas sólidas, ya que el agua no tiene resistencia cortante. Por otro lado, el esfuerzo normal en cualquier plano es la suma de dos. componentes: una debida a la carga transmitida por las partículas sólidas. de la estructura del suelo, y la otra, una presión del fluido en los espacios vacíos, como se muestra en la Figura II.3:. 11.

(25) Figura II.3.Esfuerzos totales y efectivos. (Suarez, 2009) El principio de los esfuerzos efectivos fue propuesto por Karl Terzaghi en. 1923, enuncia que un terreno sólo se deforma si varían sus tensiones. efectivas. La compresibilidad y la resistencia de un suelo dependen de la. diferencia entre el esfuerzo total debido a la carga externa, σ, y la presión de poros, µ (Suarez, 2009).. Cuando existe flujo de agua el valor de µ puede aumentar o disminuir según la dirección del flujo, normalmente la dirección del flujo disminuye la tensión efectiva y por ende la resistencia del suelo, se representa: Fórmula N°01.Tensión efectiva. σ´ = (σ − µ) El principio de esfuerzos efectivos se enuncia del modo siguiente:. a) El esfuerzo efectivo es igual al esfuerzo total menos la presión de poros.. b) El esfuerzo efectivo controla ciertos aspectos del comportamiento del suelo, especialmente la compresibilidad y la resistencia (Hurtado, 2011)..  Presión de poros. La presión de poros consiste en la presión en el agua dentro de los poros. del suelo y se identifica con la letra “µ”. La presión de poros disminuye. los esfuerzos efectivos entre las partículas, trata de separarlas y disminuye. la resistencia al corte (Figura II.4). Al colocar una carga se puede producir. 12.

(26) un cambio en la presión de poros que se denomina como Δµ (cambio de presión de poros) inducidos por las condiciones de carga (Suarez, 2009).. (a). (b). Figura II.4.a) Unión de partículas (b) Separación de partículas. (Suarez, 2009).  Mecanismos que producen la licuación A. Licuefacción de flujo. La licuefacción de flujo puede producirse cuando los esfuerzos de. corte que se necesitan para mantener el equilibrio estático del suelo son superiores que la resistencia al corte del suelo licuado. Cuando. se produce el movimiento sísmico, la resistencia del suelo no va a ser lo suficiente grande como para resistir los esfuerzos generadas durante este fenómeno generando problemas como fallas,. asentamientos diferenciales y deslizamientos (Kramer y Stewart, 2008), como se puede apreciar en la Figura II.5.. Figura II.5.Volcamiento de Edificios en Niigata, Japón. (Kramer y Stewart, 2008). 13.

(27) B. Movilidad cíclica. Este mecanismo es más frecuente que la licuación por flujo, se produce debido a las cargas cíclicas, ocurre cuando las tensiones. iniciales del suelo hayan alcanzado un nivel menor que las generadas en el estado de licuación debido al incremento progresivo de las presiones durante un sismo; ahí es donde se van. a producir las fallas en los cimientos y estructuras. “La movilidad cíclica conduce a un incremento de las deformaciones que se desarrollan durante el movimiento producido por un terremoto,. estas deformaciones pueden ser pequeñas o muy grandes. dependiendo de las características del suelo y del movimiento del terreno” (Kramer y Stewart, 2008).. La presión de los poros puede fluir rápidamente hacia la superficie. cuando se desarrolla este fenómeno, pudiendo arrastrar materiales de arena atrás de las grietas generadas para formar los volcanes de arena (Johansson, 2010)..  Susceptibilidad de licuación A. Suelos susceptibles. Para ser evaluada la susceptibilidad de licuefacción se realizó usando criterios históricos, geológico, según su composición o su estado (Kramer y Stewart, 2008).  Criterios históricos. Ocurre frecuentemente la licuefacción en los mismos lugares. cuando las condiciones del sitio se mantienen constantes, es por esto que la evidencia de la ocurrencia histórica de licuefacción.  Criterios geológicos. Pueden indicar susceptibilidad de licuefacción, por ejemplo, los. suelos de depósitos fluviales y eólicos, cuando se encuentran saturados, tienen una alta probabilidad de ser susceptibles de presentar licuefacción.. 14.

(28)  Criterios basados en la composición del suelo. Las arenas uniformemente gradadas y limpias, compuestas principalmente de partículas redondeadas son intrínsecamente más. susceptibles, mientras que los suelos bien gradados y los suelos con partículas angulares son menos susceptibles. La presencia de finos,. particularmente finos plásticos (IP > 10), tiende a disminuir la susceptibilidad de licuefacción..  Criterios basados en el estado del suelo. El suelo también depende de su estado, como las tensiones efectivas a las que está sometido y su densidad in situ. Los suelos sueltos son más susceptibles de licuefacción que los suelos densos y, para una. densidad dada, los suelos bajo tensiones efectivas altas son más susceptible que los suelos bajo tensiones efectivas bajas. B. Suelos no cohesivos. El fenómeno de licuefacción generalmente está relacionado con suelos granulares no cohesivos. Ocurre en suelos sueltos, saturados,. granulares, uniformemente gradados y con un bajo contenido de. finos. Aunque las arenas son especialmente susceptibles, la. licuefacción también se puede desarrollar en algunos limos y gravas (Brandes, 2007).. C. Suelos con presencia de finos. Las arenas siempre habían sido consideradas como el único tipo de. suelo susceptible de presentar licuefacción, pero la licuefacción también se ha presentado en otros tipos de suelos (Johansson,. 2010). Kramer y Stewart (2008) presentaron los siguientes criterios:.  Fracción de arcilla (finos menores de 0,005 mm) ≤15%  Límite líquido, LL ≤ 35%.  Contenido de humedad natural, w ≥ 0,9 LL. 15.

(29)  Factores que influyen en la ocurrencia de licuación La evaluación de la licuación es el primer paso que se debe tomar para. determinar los riesgos de licuación de un suelo. Investigaciones han demostrado que el potencial de Licuación está basado en las siguientes características (Mussio, 2012): A. Tipo de suelo. Los suelos con mayor susceptibilidad a licuación son aquellos cuyo. comportamiento o tipo de material se encuentra en estado suelto y con granulometría uniforme, como las arenas principalmente y además de estar saturados, son los que presentan mayor susceptibilidad a licuación. El Código de Cimentaciones de Costa. Rica presenta la distribución granulométrica de suelos que se han. licuado, delimitando las zonas de fácilmente licuable y muy fácilmente licuable, esta solo es una investigación de las tantas que establecen los rangos de Licuación. B. Densidad relativa. Desde las investigaciones clásicas de Casagrande, se reconoció que. el potencial de licuación se encuentra fuertemente relacionado con la relación de vacíos o la densidad relativa del suelo. La licuación sucede principalmente en suelos sueltos, saturados y no cohesivos,. sujeto a la incidencia de una carga u ondas sísmicas, este al densificarse se incrementa la presión de poros, reduciendo su. volumen, llegando al punto en la presión intersticial se iguala a la. tensión normal y el suelo pierde su resistencia al corte, se licua y falla, caso contrario si el suelo es propiamente denso.. C. Profundidad del nivel freático. La presión de poros, producida por el agua que ocupa los vacíos. entre las partículas del material debido a la posición del nivel freático, se incrementa por efecto de la vibración producida por el movimiento sísmico. Por consiguiente, la ubicación del nivel. freático cuando se produzca un terremoto en un suelo arenoso, será 16.

(30) de mucha importancia porque regirá la condición de saturación y por lo tanto, influirá también en el esfuerzo efectivo. D. Magnitud del movimiento sísmico La propagación de las ondas de corte durante un terremoto a través de la estructura del suelo, la que producirá una distribución de. esfuerzos de corte en función del tiempo, causando de esta manera deformaciones en el suelo.. Ensayos de laboratorio de Seed y Lee (2009) “indican que entre más grande sea el esfuerzo o la deformación, menor es el número de ciclos requerido para causar la licuación. De igual manera,. evidencias de campo demuestran que depósitos de arena suelta han. resistido sismos de poca intensidad (aprox. 0.005g) y se han licuado ante la acción de sismos intensos (0.16g)”. E. Duración del movimiento sísmico Este factor es de gran importancia ya que determina el número de ciclos de carga al cual el suelo estará sometido. Si el movimiento es intenso predominará la condición no drenada, es decir la disipación de la presión de poro se verá restringida, por lo que va a. haber un incremento de la misma, produciendo esfuerzos efectivos nulos, y por ende licuación..  Efectos de la licuación de suelos. Según Mussio (2012) establece los siguientes efectos de la licuación:. A. Fallas de flujo. Este tipo de fallas son las más devastadoras producidas ya que. producen desplazamientos de decenas de metros de grandes masas de suelo, están compuestos por estratos licuados o bloques intactos flotando sobre el suelo, principalmente es terrenos con pendiente.. B. Desplazamientos laterales. Estos involucran el desplazamiento de bloques de suelo superficiales como resultado de la licuación del estrato inferior.. Este desplazamiento ocurre debido a la acción de las fuerzas gravitacionales y las fuerzas inerciales generadas por el terremoto. 17.

(31) Se desarrollan en pendientes suaves dirigiéndose al río, causando fisuras y graves fallas en las cimentaciones de las edificaciones, cortan tuberías, y desestabilizando puentes.. C. Pérdida de capacidad de carga. Cuando las cimentaciones de una edificación se licuan y pierden su resistencia, se presentan grandes deformaciones las que hacen que. las estructuras se inclinen y asienten, producto de la densificación por el sismo (Figura II.6).. Figura II.6.Pérdida de capacidad de carga en licuación. (Mussio, 2012). D. Oscilaciones del terreno Cuando el terreno es plano la licuación de un estrato profundo puede desestabilizar los estratos de suelo superiores, permitiendo la. oscilación de los suelos superficiales en forma de ondas, provocando una contracción y dilatación de las grietas formadas. por los bloques, produciendo así volcanes de arena, dichas. oscilaciones están acompañadas por fisuras, aberturas en el suelo y la fractura pavimentos y tuberías.. 18.

(32) 2.2.2. Estabilización de suelos a partir de activación alcalina  Ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBCA). La CBCA es un subproducto de los desechos de la fabricación del. azúcar. Se utiliza como combustible para calentar las calderas de las fábricas para obtener el azúcar.. Su propiedad como cementante permite ser usado como un material puzolánico, que mejora las propiedades de los productos con los que se. reemplaza o combina. Además, hay que conocer que la fibra de la caña de azúcar representa entre un 40-50% de su volumen de toda la planta (Hernandez, 2011).. A nivel internacional el país que más produce y exporta azúcar es Brasil (primer productor mundial) con un 20%, seguido por India (segundo productor mundial), Tailandia y China, que con otros países asiáticos conforman el 40% de la producción mundial (Chacón, 2011). A. Características y producción  Características. Por su composición química la CBCA tiene altos contenidos de. materiales puzolánicos como el dióxido de silicio (SiO2) y otros óxidos que producen la actividad puzolánica, lo que permiten trabajarlo como material cementante para estabilización de suelos o en morteros.. Las puzolanas son materiales sin capacidad de actividad. hidráulica por si solos, por esto se deben de mezclar con activadores alcalinos para generar compuestos con propiedades. aglomerantes, dando a lugar a cementantes hidráulicos como es la cal (Salazar, 2011).. Se ha encontrado que las propiedades físicas y las características micro estructurales de los geopolímeros basados. en cenizas son dependientes de la cantidad de sílice del sistema,. la cual es incorporada a través de las soluciones activantes. Por. tanto, el desempeño mecánico de los geopolimeros puede ser optimizado a partir de su composición química mediante un 19.

(33) ajuste en las relaciones de los óxidos de Si, Al y Na. Sin. embargo, podría esperarse que la resistencia mecánica de la red. de aluminosilicatos aumente con el incremento en el contenido de sílice, debido a la mayor resistencia que presentan los. enlaces Si-O-Si, en comparación con Si-O-Al o Al-O-Al. Esto brinda la alternativa de controlar la nano estructura, porosidad y propiedades de estos materiales para ser empleados en una gran variedad de aplicaciones en la ingeniería (Rodriguez, 2009).. Los estudios indican que el cemento o cal y la CBCA, pueden modificar las propiedades mecánicas y puede mejorar otras. como la penetración de la humedad hacia los concretos, además en el caso de suelos susceptibles a fallas estos mismos activados con materiales químicos formar geopolímeros que le añadan resistencia al suelo (Hernandez, 2011).  Producción. El proceso de producción de la ceniza de bagazo de caña de azúcar (CBCA) se muestra en la Figura II.7:. 20.

(34) Figura II.7.Proceso de producción de la CBCA. (Ma-Tay, 2014). De la presente figura se observa que el bagazo de la caña se. genera de la molienda de la caña y extracción del jugo, que. posteriormente es trasladado a la zona del horno para el quemado. para. además. producir. energía. eléctrica. y. combustible. Al finalizar este proceso se obtiene la ceniza del bagazo de la caña, la cual puede aprovecharse para fines en la construcción (Ma-Tay, 2014)..  Mecanismos de reacción. En la presente tabla II.1 se puede apreciar la influencia de la temperatura y tiempo de quema.. En la investigación de Vidal (2014) se observó que la quema de la. ceniza a altas temperaturas como 1000° C dismiuyo el índice de puzolonidad, modificando la estructura amorfa de la sílice. Para lo que 21.

(35) posteriormente se le dió tratamiento térmico a temperaturas entre 500 ° y 700° C, lo que elevó su grado de puzolanidad además de la resistencia a la comprensión de las probetas que fueron ensayadas.. Tabla II.1.Proceso de modificación en la quema de la ceniza de bagazo. (Vidal, 2014).  Composición química. La composición de la ceniza varía de acuerdo al tiempo, el suelo y el. tipo y cantidad de fertilizante utilizado en su producción. La cantidad de ceniza de bagazo de caña depende de las condiciones climatológicas (Hernandez, 2011).. A continuación, se muestra en la Tabla II.2 y la Tabla II.3 la composición química de las cenizas CBCA producidas en Cuba y Perú, respectivamente.. 22.

(36) Tabla II.2.Composición química de CBCA cubano. (Hernandez, 2011). COMPUESTO CONSTITUTIVO FORMA PORCENTAJE NOMBRE ABREVIADA (%) Sílice SiO2 56.4 Óxido Férrico. FeO2 + Al2O3. 5.15. Óxido de Calcio+ Óxido de Magnesio. CaO+ MgO. 9.08. Álcalisis. Na2O y K2O. 12.6. Tabla II.3.Composición química de ceniza del bagazo peruano. (Hernandez, 2011). Como se puede apreciar en las presentes tablas las CBCA presentan un alto porcentaje de contenido de Sílice lo que lo hace un buen material puzolánico (Hernandez, 2011).. La producción de ceniza es constante, su aplicación como puzolana. obedece a su composición química, ya que los óxidos fundamentales SiO2, Al2O3, y Fe2O3 representan aproximadamente el 70 por ciento de. su composición, los que producen la actividad puzolánica (Ver Tabla II.4). Tabla II.4. Requisitos químicos de las puzolanas. (ASTM C618, 2012). *Se puede emplear puzolana de Clase F con contenidos de hasta 12% de. Pérdida por calcinación si cuenta con registros de performance o resultados de ensayos de laboratorio aceptables. 23.

(37) Tabla II.5. Requisitos físicos de las puzolanas. (ASTM C618, 2012). 2.2.3. Geopolímeros. El término “geopolímeros” es usado para describir los productos amorfos. o cristalinos de la reacción de síntesis de aluminosilicatos alcalinos a partir de la reacción con hidróxido y soluciones alcalinas, estos compuestos son también comúnmente conocidos como; "vidrios de aluminosilicatos de baja temperatura.”, “cemento activado alcalinamente ", “geocement”, “cerámica. alcalina”,. “polímero. inorgánico. de. hormigón",. e. "hidrocerámica". A pesar de la variedad de nomenclaturas, son descritos. como un sistema complejo de reacciones de disolución y precipitación en. un sustrato acuoso de elevada alcalinidad. La geopolimerización inicia con la disolución del precursor, seguido de una precipitación de especies. activas (monómeros de Si y Al), los cuales sufren una policondensación. para la formación de oligómeros que posteriormente polimerizan formando el gel N-A-S-H (Duxson , Fernández, y Provis, 2006).. Son conglomerantes formados a partir de dos componentes: un material. pulverulento de configuración parcial o totalmente amorfa o vítrea (Ver Figura II.8) de naturaleza aluminosilícica e hidróxidos alcalinos que pueden ser de tipo: NaOH, Ca(OH)2, K(OH) (Petermann y Saeed, 2012),. considerados como un conjunto de transformaciones complejas que conducen a una estructura con propiedades cementantes (Criado, 2007), 24.

(38) entre sus ventajas se encuentran: alta resistencia a la compresión llegándose incluso a reportar resistencias del orden de 60MPa, baja. contracción, fraguado rápido o lento, resistencia a los ácidos, resistencia al fuego y baja conductividad térmica (Shi, Palomo y Jimenez, 2011).. Roldán (2014) brinda las definiciones de los materiales cristalinos y amorfos:. Material cristalino: Es aquel cuyos átomos o iones están organizados siguiendo un patrón repetitivo a lo largo de toda la estructura, como el sistema tetraédrico de diamante y el cuarzo.. Material amorfo: Es un estado sólido de la materia en el que las partículas que conforman el sólido carecen de formas y caras definidas, y a su vez de una estructura ordenada, como la sílice amorfa (SiO2) y los polímeros.. Figura II.8.Estructura cristalina y amorfa. (Criado, 2007). Para un desempeño óptimo del geopolímero es necesario que las cenizas. cuenten con características adecuadas, como por ejemplo la distribución de partícula y la finura de las partículas son las que más afectan la. reactividad, mientras que el contenido relativo de sílice afecta más desde. el punto de vista químico. La sílice altamente reactiva en las cenizas aumenta la posibilidad de formación del gel de aluminosilicatos que. proporcionan la resistencia mecánica a los geopolímeros (Chen y Brouwers, 2006).. 25.

(39)  Gel Sodium Aluminosilicate Hydrate (N.A.S.H). Glukhovsky, Rostovskaja y Rumyna (2008) propusieron el mecanismo de activacion del Gel Aluminisilicato de Sodio Hidratado: Primera etapa: “Destrucción-coagulación”. Este primer proceso de disgregación se basa en la ruptura de los. enlaces de Si-O-Si, Al-O-Al y Al-O-Si del material de partida. Esta rotura de los enlaces covalentes Si-O-Si y Al-O-Al, requiere de unas condiciones de reactividad, que se consiguen al añadir iones. con propiedades electrodonantes (tales como los metales alcalinos) provocando el incremento del pH del medio. El resultado es una. redistribución de la densidad electrónica sobre el átomo de silicio que hace más fácil la ruptura del enlace Si-O-Si. A. Segunda etapa: “Coagulación-condensación”. En esta etapa la acumulación de los productos disgregados da lugar a un mayor contacto entre los mismos, formándose una estructura de coagulación en la que ocurren los procesos de policondensación.. Si en la primera etapa el metal alcalino actuaba como un catalizador del proceso de destrucción, en las siguientes es un componente formador de la estructura.. B. Tercera etapa: “Condensación-cristalización”. La presencia de partículas de la fase sólida inicial, al igual que la aparición de micropartículas resultantes de. la estructura. condensada da origen a la precipitación de productos, cuya composición está determinada por la composición mineralógica y. química de la fase inicial, la naturaleza del componente alcalino y las condiciones de endurecimiento.. En la Figura II.9 se muestra las distintas etapas en la transformación de una fuente de aluminosilicatos en un polímero inorgánico alcalino.. En primer lugar, el contacto de las partículas sólidas y la disolución alcalina causa la disolución del componente vítreo de las partículas. sólidas dando lugar a la liberación de aluminatos y silicatos, los 26.

(40) monómeros reaccionan para formar dímeros, que luego forman trímeros, etc., Cuando se alcanza un grado de saturación precipita. un gel de aluminosilicato. La formación del Gel 1 contiene mayor concentración de iones Al3+en el medio alcalino en las primeras etapas del proceso, ya que el aluminio reactivo se disuelve más rápidamente que el silicio debido a que los enlaces Al-O son más débiles que los enlaces Si-O, mientras la reacción avanza, más grupos Si-O de se disuelven, aumentando la concentración de silicio en el medio, el precursor zeolítico (el gel N-A-S-H) se va enriqueciendo gradualmente en silicio (Gel 2).. Los procesos de reorganización estructural determinan la composición final del polímero, así como la microestructura y la. distribución de los poros en el material, el agua determina el medio de reacción, residiendo dentro de los poros del gel. El tiempo para. que una disolución supersaturada de aluminosilicatos forme un gel. continuo, varía con las condiciones de procesabilidad de las. materias primas, la composición de la disolución y las condiciones de síntesis.. Figura II.9.Modelo de polimerización. (Criado, 2007) 27.

(41) 2.2.4. Activadores alcalinos. Es un proceso químico donde pueden transformarse en esqueletos de. cemento compactos los materiales de aluminosilicatos de origen natural o industrial, cuando se mezclan con una solución altamente alcalina (Duxson, Fernández, y Provis, 2006).. Es importante la selección del activador alcalino ya que tiene más impacto. en la producción de un geopolímero, los activadores inducen a la precipitación y cristalización de las especies silíceas y aluminosas que. están presentes en la solución. En la reacción el OH- actúa como un. catalizador y el catión de metal sirve para formar un elemento estructural y equilibrar el marco negativo realizado por el aluminio tetraédrico (Vijaya, 2010).. La reacción es realizada por la capacidad de la solución alcalina para disolver el material puzolánico y liberar silicio reactivo y de aluminio en la solución (Petermann y Saeed, 2012).. El Hidróxido de sodio o de potasio (NaOH, KOH) y silicato de sodio. (nSiO2Na2O) o silicato de potasio (nSiO2K2O) son los activadores más utilizados (Kong y Sanjayan, 2008).  Hidróxido de sodio. El hidróxido de sodio en concentraciones bajas fue el activador más. efectivo para cenizas de bajo calcio, sin importar el tipo de fuente de aluminosilicatos, a medida que se tiene concentraciones más altas se obtienen mejores propiedades mecánicas en los materiales (Arjunan, Silsbee y Roy, 2001).. Teóricamente la molaridad para las mezclas con cenizas varían entre el rango de 2 a 10 M, obteniendo valores de resistencias más altas en los valores que se acercan al valor de 10 M (Song, 2007).. Diferentes estudios han mostrado que a mayores concentraciones se tendrá como resultado una mayor resistencia, hasta un límite óptimo,. donde a partir de allí empezará a ver el efecto contrario. La posible. razón de esta disminución se debe a que la mezcla superó su punto de 28.

(42) saturación y los iones K+ sin reaccionar en vez de aumentar la fuerza se convierten en un impedimento para éste (Petermann y Saeed, 2012). 2.2.5. Ensayo triaxial. En un ensayo triaxial se colocan cargas de confinamiento (σ3) y cargas axiales (σ1) tratando de simular las condiciones reales de esfuerzos en el suelo. Permite realizar ensayos con gran variedad de procedimientos para. determinar la resistencia al cortante, la rigidez y las características de deformación de las muestras (Suarez, 2007).. Existen cuatro formas de realizar el ensayo Triaxial así:  Ensayo inconfinado no drenado.  Ensayo no consolidado, no-drenado o ensayo rápido (UU)  Ensayo consolidado, no-drenado o ensayo lento (CU)  Ensayo consolidado, drenado (CD). Ventajas de los ensayos de compresión triaxial:  La muestra no es forzada a inducir la falla sobre una superficie determinada..  Las condiciones de drenaje pueden ser controladas.  Las tensiones aplicadas son las tensiones principales y es posible. realizar un estrecho control sobre las tensiones y las deformaciones (Monereo, 2014).. A. Ensayo no consolidado, no-drenado o ensayo rápido (UU) ASTM D2850. Este tipo de ensayo, una de las condiciones es que no se permite la. consolidación del espécimen manteniendo la válvula de drenaje. cerrada en todo el proceso del ensayo, por lo que los parámetros que se obtienen son en función de esfuerzos totales.. 29.

(43) Figura II.10. Esfuerzos a los que se somete la muestra UU. (Monereo, 2014). Al realizar el ensayo se aplica la presión de cámara o esfuerzo de. confinamiento con el espécimen en el interior de la cámara. A continuación, se aplica la carga axial. Se va incrementando la carga. axial a una ratio determinado. Se obtiene información de esfuerzo versus deformación hasta que alcance el esfuerzo último o esfuerzo. principal mayor. Se hacen tres círculos con diferentes valores del esfuerzo principal menor, siempre procurando que en cada ensayo. la presión se duplique a la anterior, se traza la envolvente MohrCoulomb. En este tipo de Triaxial no se puede determinar los esfuerzos efectivos (Monereo, 2014).. B. Ensayo consolidado, no-drenado o ensayo lento (CU) ASTM D4767. A diferencia del ensayo UU, éste ensayo permite el drenaje antes de la aplicación de la carga, de forma de permitir la consolidación. de la muestra bajo la presión de cámara σ3. Por lo tanto, se obtiene la variación de la cohesión no drenada del suelo con respecto de σ3. El ensayo se ejecuta en tres etapas: saturación consolidación y corte.. Saturación: Es la primera etapa donde consiste en hacer circular agua desairada. de forma ascendente a través de la muestra para desplazar el aire y ocupar los vacíos sin que se produzcan esfuerzos indeseables, para obtener una correcta medición de las presiones intersticiales. Para. verificar el grado de saturación de las probetas se utilizó el 30.

(44) parámetro B de Skempton (1954), que relaciona el cambio en la presión intersticial (Δu) producto de un aumento en la presión confinante o de cámara (Δσc) (Ezama y Verenengo, 2012). Fórmula N°02.Parámetro de Skempton. = Cuando B=1 asegura que la probeta esta 100% saturada y que todo el incremento de la presión confinante ha sido tomado por el agua. en los poros. Un valor B ≥ 0.95 es un valor aceptable para considerar una probeta saturada.. El tiempo necesario para lograr un grado de saturación determinado. depende del método de armado, del tipo de suelo y de la contrapresión aplicada (Pereira, 2013).. Figura II.11. Esquema de ejemplo de saturación de un espécimen. (Monereo, 2014) 31.

(45) Consolidación: Se realizó inmediatamente después de finalizada la etapa de saturación. En esta etapa se somete a la probeta a un estado de tensiones deseado antes de comenzar la falla (Ezama y Verenengo, 2012).. Figura II.12. Etapa de consolidación. (Monereo, 2014). Corte:. En esta última etapa el esfuerzo axial o esfuerzo desviador puede. ser aplicado a la muestra a través del pistón o celda de carga; se conoce como fase de corte. El drenaje no está permitido.. Se genera la presión de poro cuando la deformación axial aplicada provoca un esfuerzo diferencial y el suelo no es drenado.. La presión de poro en corte se mide hasta la falla, permitiendo que. los esfuerzos totales y efectivos en su trayectoria puedan ser determinados (Fernández J. , 2007).. 32.