Evaluación del módulo resiliente de suelos finos con adición de residuos de la combustión del carbón (RPCC)

Maestría en Ingeniería Civil

Énfasis en Geotecnia

EVALUACIÓN DEL MÓDULO RESILIENTE DE SUELOS FINOS

CON ADICIÓN DE RESIDUOS DE LA COMBUSTIÓN DEL CARBÓN (RPCC).

Estudiantes:

DIANA M. ZAMBRANO V.

CARLOS J. SOLORZANO R.

Para obtener el título de Magíster en Ingeniería Civil.

Director:

HERMES A. VACCA., MIC

Codirector:

JOAN M. LARRAHONDO, Ph.D.

Bogotá, Mayo de 2017

Dedicatoria y agradecimientos:

Al creador de la vida, por darme cada día la oportunidad de seguir adelante, “Por qué el da la

sabiduría, conocimiento y fe brotan de sus labios” Prov. 2:6. A mi familia por su apoyo, paciencia,

compresión y fe en mí. A mis padres, por cultivar en mí el deseo de ser mejor… más que ayer y

menos que mañana. A mis maestros, por dar lo mejor de sí para que el conocimiento no sea personal

si no universal “Ing. Carlos E. Rodríguez P.”. Al Ing. Hermes e Ing. Joan, directores del trabajo de

grado por sus aportes, ejemplo y entereza. A la compañía A.T. S.A.S., quien suministro el material

(ceniza) y financio algunos ensayos externos de esta investigación. A mi compañera de estudio por

su apoyo y colaboración en los estudios de maestría y en la presente investigación.

Carlos J. Solórzano R.

JOAN M. LARRAHONDO, Ph.D., HERMES A. VACCA., MIC, le manifestamos gratitud, por el tiempo

dedicado para con nosotros en el desarrollo y conclusión de nuestro trabajo de grado. Con su

experiencia, conocimiento, constante presencia, amabilidad y claridad desarrollaron con excelencia su

labor. Solo nos queda decirles muchas gracias. A mi compañero Carlos Solórzano Cada día trae

problemas, pero, a la vez, también sus soluciones; esta es la que hace que la imaginación (razón) nos

impulse a utopías y nos llene de motivos a realizarlo. Muchas gracias por el apoyo, confianza y

colaboración. A mi familia por su apoyo y fe en mí.

Resumen:

La finalidad de esta investigación es divulgar los resultados obtenidos de la evaluación del

módulo resiliente (Mr.) de un suelo fino SF (arcilla), el residuo producto de la combustión del

carbón RPCC (ceniza) y las mezclas de estos dos materiales, con el objeto de impulsar el uso de

subproducto de otros procesos como la combustión del carbón principalmente en centrales

termoeléctricas y cuya disposición de ceniza a cielo abierto puede generar impactos negativos

en el medio ambiente. Para cumplir con este propósito, se decidió realizar mezclas con respecto

a la masa del suelo fino en proporciones de 10%, 20% y 40% de ceniza respectivamente, sin

adicionar a las mezclas ningún otro compuesto como cementante o estabilizante, para lo cual se

utilizó ceniza proveniente de la Central Termoeléctrica Martin del Corral (TERMOZIPA),

localizada en el municipio de Tocancipa (Cund.) y un suelo fino del municipio de Zipaquirá

(Cund.). Se realizaron diversos tipos de pruebas para determinar las propiedades índice del

suelo fino y las mezclas, caracterización química y mineralógica para la identificación de

minerales mediante pruebas de difracción de rayos X (DRX) para la ceniza y el suelo fino,

microscopio electrónico de barrido (MEB) y lixiviación (COT) para identificar la proporción de

metales pesados en la ceniza, por último se realizó la caracterización mecánica mediante

ensayos de módulo resiliente (Mr.), para 3 unidades de cada uno de los materiales individuales

(SF y RPCC) y de las mezclas, comparando su comportamiento entre sí, e identificando la

variabilidad de los resultados con base en documentos técnicos de referencia. Se identificó la

variación de propiedades índice y el mejoramiento del Mr. para un 10% de adición de RPCC y

caso contrario para las adiciones del 20% y 40%, además de lo anterior se modeló el Mr. del SF

y sus mezclas con una ecuación reconocida y se compararon los resultados con los obtenidos

en laboratorio.

Palabras Claves:

Abstract:

The purpose of this research is to disclose the results obtained from the evaluation of the resilient

modulus (Mr.) of a fine soil SF (clay), the residue from the combustion of the RPCC (ash) coal

and the mixtures of these two materials, The object of promoting the use of by-products of other

processes such as the combustion of coal mainly in thermoelectric power plants and whose open

ash disposal can generate negative impacts on the environment. In order to achieve this, it was

decided to make mixtures with respect to the mass of the fine soil in proportions of 10%, 20% and

40% of ash respectively, without adding to the mixtures any other compound as cementant or

stabilizer, for which Used ash from the Martin del Corral Thermoelectric Plant, located in the

municipality of Tocancipa (Cund.) And a fine soil in the municipality of Zipaquirá (Cund.). Various

types of tests were carried out to determine fine soil index and mixtures, chemical and

mineralogical characterization for the identification of minerals by X-ray diffraction (XRD) tests for

ash and fine soil, scanning electron microscopy ( MEB) and leaching (COT) to identify the

proportion of heavy metals in the ash, finally the mechanical characterization was performed by

means of resilient modulus tests (Mr.), for 3 units of each of the individual materials (SF and

RPCC) And mixtures, comparing their behavior to each other, and identifying the variability of

results based on technical reference documents. It was identified the variation of index properties

and the improvement of the Mr. for a 10% addition of RPCC and otherwise for additions of 20%

and 40%, in addition to the above was modeled the Mr. of SF and its mixtures with a Equation

and compared the results with those obtained in the laboratory.

Keywords:

Contenido

INTRODUCCIÓN ... 7

1.1.

Planteamiento y Justificación del problema. ... 8

1.1.

Objetivos. ... 12

1.1.1.

Objetivo General. ... 12

1.1.2.

Objetivos Específicos. ... 12

2.

MARCOS DE REFERENCIA ... 12

2.1.

Marco Conceptual. ... 12

2.2.

Marco Teórico. ... 16

2.3.

Marco de Antecedentes. ... 24

3.

MATERIALES Y MÉTODOS ... 26

3.1.

Materiales. ... 26

3.1.1.

Suelo fino ... 26

3.1.2.

Residuos producto de la combustión del carbón (RPCC) ... 28

3.1.3.

Mezclas de suelo fino con RPCC ... 28

3.2.

Métodos experimentales ... 30

3.2.1.

Propiedades físicas ... 30

3.2.2.

Propiedades químicas y mineralógicas. ... 33

3.2.3.

Propiedades mecánicas (módulo resiliente) ... 35

3.3.

Programa experimental ... 37

4.

RESULTADOS ... 38

4.1.

Caracterización física de los materiales y las mezclas. ... 38

5.

ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 48

5.1.

Caracterización física y química de los materiales y las mezclas. ... 48

5.2.

Módulo resiliente de los materiales base y las mezclas. ... 51

6.

CONCLUSIONES ... 57

REFERENCIAS ... 58

ANEXOS... 60

Listado de Figuras

Fig. 1

Reservas mundiales de carbón MT, Fuente: Statistical Review of World Energy Full

Report, British Petroleum Company 2011.

... 8

Fig. 2

Participación por energético en el consumo mundial de energía primaria. Fuente:

Statistical Review of World Energy Full Report, British Petroleum Company 2011.

... 8

Fig. 3 Capacidad efectiva de generación por tipo de combustible a julio de 2016

... 9

Fig. 4 Clasificación de los carbones.

... 9

Fig. 5 Recursos más reservas básicas del carbón en Cundinamarca T (Térmico), M

(Metalúrgico)

... 10

Fig. 6 Efecto de las cargas dinámicas en la estructura de un pavimento.

... 12

Fig. 7 Efecto de las cargas dinámicas en la estructura de un pavimento.

... 14

Fig. 8 Deformación acumulada con el número de aplicaciones del esfuerzo desviador.

... 15

Fig. 9 Deformación acumulada con el número de aplicaciones del esfuerzo desviador.

... 15

Fig. 10 Aspecto morfológico ceniza TERMOTASAJERO.

... 16

Fig. 12 Influencia de la humedad y la densidad en el Mr.

... 18

Fig. 13 Influencia del contenido de agua y el método de compactación en el en el Mr.

.... 19

Fig. 14 Resultados típicos de una prueba de módulo resiliente para un suelo fino. Fuente

(Instituto Mexicano del Transporte, 2016)

... 25

Fig. 15 Plancha Geológica 209 Escala 1:100.000

... 26

Fig. 16 Localización de la mina.

... 27

Fig. 17 Mapa de recursos minerales de Colombia. Plancha 5-09.

... 27

Fig. 18 Aspecto de los materiales. Fig. 19 Aspecto de los materiales.

... 29

Fig. 20 Preparación de las mezclas. Fig. 21 Almacenamiento de

muestras.

... 29

Fig. 22. Hidrometrías del suelo fino y el RPCC.

... 30

Fig. 23 Determinación del valor de azul de metileno.

... 31

Fig. 24 Determinación de la gravedad especifica.

... 32

Fig. 25 Elaboración de muestras para hallar densidad máxima seca Vs contenido de

humedad.

... 33

Fig. 26 Equipo para DRX.

... 33

Fig. 27 Equipo MEB.

... 34

Fig. 28 Equipo TOC.

... 34

Fig. 29 Equipo Marshall para reconstitución de muestras y gato hidráulico para la

extracción de las muestras.

... 36

Fig. 30 Equipo triaxial.

... 37

Fig. 31 Variación del límite líquido del suelo fino con la adición de RPCC.

... 38

Fig. 32 Variación límite plástico del suelo fino con la adición de RPCC.

... 38

Fig. 33 Variación del límite de contracción del suelo fino con la adición de RPCC.

... 38

Fig. 34 Variación del índice de plasticidad del suelo fino con la adición de RPCC.

... 38

Fig. 35 Variación de la gravedad específica del suelo fino con la adición de RPCC.

... 39

Fig. 36 Variación de la de la granulometría del suelo fino con la adición de RPCC.

... 39

Fig. 37 Variación de la superficie específica y el valor de azul de metileno del suelo fino

con la adición de RPCC.

... 40

Fig. 38 Imágenes de MEB para el RPCC.

... 42

Fig. 39 Difractograma del suelo fino con EG.

... 43

Fig. 40 Difractograma del suelo fino con K.

... 43

Fig. 41 Difractograma del suelo fino a T550°.

... 44

Fig. 42 Difractograma del suelo fino con M.

... 44

Fig. 43 Difractograma del RPCC.

... 45

Fig. 44 Densidad seca Vs % Humedad de compactación.

... 45

Fig. 45 Variación del Módulo resiliente Vs Esfuerzo desviador para una presión de cámara

de 41.4 kPa.

... 46

Fig. 46 Variación del Módulo resiliente Vs Esfuerzo desviador para una presión de cámara

de 27.6 kPa.

... 47

Fig. 47 Variación del Módulo resiliente Vs Esfuerzo desviador para una presión de cámara

de 13.8Kpa.

... 47

Fig. 48 Variación Deformación axial Vs. Esfuerzo desviador.

... 48

Fig. 49 Variación de la clasificación USCS del suelo fino con la adición de RPCC.

... 50

Fig. 50. Representación de los resultados de una prueba de Módulo resiliente con su

correspondiente ecuación de ajuste, para el 0%,10% de RPCC

... 55

Fig. 51 resultados de Mr con la Ecuación de ajuste y laboratorio para el 0% y 10% de

RPCC.

... 57

INTRODUCCIÓN

El uso de subproductos de la combustión del carbón como las cenizas provenientes de centrales

termoeléctricas, ha sido evaluado en mezclas con diferentes tipos de materiales finos y

granulares y generalmente mediante métodos convencionales. La presente investigación evalúa

el módulo resiliente de dos materiales base (arcilla y ceniza) y sus mezclas, para comprobar el

comportamiento del mismo en la subrasante y promover el uso de cenizas con beneficios

técnicos, económicos y ambientales. El módulo resiliente se define como la relación entre el

esfuerzo desviador total y la deformación axial recuperable de una prueba triaxial cíclica, el

esfuerzo desviador corresponde a la diferencia entre el esfuerzo axial y de confinamiento.

Mediante la caracterización física, química y mecánica, se evaluaron 5 tipos de materiales

correspondientes al suelo fino “SF”, residuo producto de la combustión del carbón “RPCC”

(Ceniza) y 3 mezclas de los dos materiales con una relación de 90%SF - 10%RPCC, 80%SF -

20%RPCC y 60%SF - 40%RPCC, con los resultados obtenidos se analizó su comportamiento y

se compararon con la teoría y los valores reportados de otras investigaciones. En el capítulo 1

se hace el planteamiento del problema visto del componente ambiental, luego en el capítulo 2 se

describen los marcos de referencia realizando un análisis concreto del estado del arte en la

evolución de las ecuaciones elásticas no lineales y las investigaciones realizadas sobre este

tema, en el capítulo 3 se describen los materiales y métodos utilizados para evaluar las

propiedades físicas, químicas y mecánicas de los materiales, las mezclas se realizaron en

función del peso del suelo fino y se elaboraron muestras por triplicado, para los ensayos físicos y

mecánicos, en el capítulo 4 se presentan los resultados de forma gráfica con la variabilidad de

cada uno de ellos, en el capítulo 5 se hace un análisis de estos resultados comparándolos con

documentos de referencia e indicando las posibles razones de su comportamiento, el capítulo 6

presenta de forma clara y precisa las conclusiones de los resultados obtenidos los cuales

permitirán complementar el campo del conocimiento en el comportamiento resiliente de suelos

finos con adiciones, así como el de los RPCC, para ser aplicados en el diseño de pavimentos y

otras áreas de la geotecnia ambiental, por último se presenta el capítulo 7 el cual corresponde a

trabajo futuro donde se realizan sugerencias sobre cuál debe ser la orientación de otras

investigaciones sobre esta línea de trabajo, que modifiquen o complementen el estado del arte.

1.1.

Planteamiento y Justificación del problema.

Actualmente Colombia posee el décimo primer puesto mundial en reservas de carbón y este

mineral ocupa el 29,63% de participación mundial en la producción de energía primaria, según

reportes de la Statistical Review of World Energy Full Report 2011, British Petroleum Company,

ver Fig. 1 y Fig. 2 respectivamente.

El sector de energía eléctrica en Colombia está dominado por generación hidroeléctrica y

térmica, siendo la hidroeléctrica la de mayor capacidad para producir energía por generar

menores emisiones y tener mayor cantidad de fuentes hídricas, cuenta con una capacidad

instalada cerca de 16,54 GW de los cuales un 70% corresponde a generación hidráulica, 10%

gas, 8% carbón y otros 12% ver Fig. 3

Las centrales termo eléctricas usan como fuente principal de generación de energía el carbón, el

cual es de origen orgánico, formado principalmente por carbono amorfo acompañado de

Fig. 1 Reservas mundiales de carbón MT, Fuente:

Statistical Review of World Energy Full Report, British

Petroleum Company 2011.

Fig. 2 Participación por energético en el consumo

mundial de energía primaria. Fuente: Statistical Review

of World Energy Full Report, British Petroleum Company

2011.

hidrocarburos, compuestos orgánicos de naturaleza compleja (glúcidos como la celulosa y

lignina), proteínas vegetales y materia inorgánica, producto de la descomposición de restos

vegetales que se acumularon en el periodo carbonífero, en zonas pantanosas, lagunares o

mares.

El carbón o carbón minero (Ministerio de Minas y Energía & Unidad de Planeación Minero

Energética, 2012)al es una roca de origen sedimentario o metamórfico según el proceso de

formación el cual puede ser turba, lignito, hulla (Sedimentarias) y antracita (Metamórfica). De

igual forma, su poder calorífico depende del contenido de carbono y se clasifican como se indica

Fig. 4

En Colombia y de forma particular en el departamento de Cundinamarca se encuentran

diferentes tipos de carbón véase Fig. 5, según estudios realizados por el Servicio Geológico

Fig. 3 Capacidad efectiva de generación por tipo de

combustible a julio de 2016

Fuente: Ministerio de minas y energía, UPME 2016.

Fig. 4

Clasificación de los carbones.

Colombiano (Ministerio de Minas y Energía & Unidad de Planeación Minero Energética, 2012).

Algunos de los tipos de carbón se clasifican como térmicos o metalúrgicos y se emplean en la

Termoeléctrica Termozipa Martin del Corral. El carbón es llevado a los centros de acopio de la

central termo eléctrica, donde se procede a triturar y pulverizar, posteriormente se inyecta el

carbón mezclado con aire caliente a presión en la caldera para su combustión. Dentro de esta

caldera se produce el vapor que acciona los álabes de los cuerpos de las turbinas de alta, media

y baja presión, haciendo girar el rotor de la turbina que se mueve con el rotor del generador,

donde se produce la energía eléctrica, la cual se transporta mediante líneas de alta tensión a los

sitios de consumo.

Fig. 5 Recursos más reservas básicas del carbón en Cundinamarca T (Térmico), M (Metalúrgico)

Fuente: Ministerio de Minas y Energía, UPME, 2012.

El vapor después de accionar las turbinas, pasa a la fase liquida del condensador, donde es

sometida a diferentes etapas de calentamiento e inyectada de nuevo en la caldera, para tener

máximo rendimiento del ciclo. Al finalizar se trasladará el vapor a torres de refrigeración y

posteriormente devolverlo a las fuentes hídricas cercanas o poderlo regresar de forma directa.

Como producto del anterior proceso se emiten residuos sólidos, los cuales se denominan

cenizas volantes y pesadas. Los residuos volantes ascienden por las chimeneas donde en su

gran mayoría son removidos por precipitadores electrostáticos cuya eficiencia puede ser mayor

al 99%. Las cenizas pesadas provenientes del fondo, son transportadas a silos temporales y de

allí llevadas a los patios de cenizas mediante camiones. El agua de purga de la torre de

enfriamiento, generalmente con alto contenido de sólidos puede también ser dispuesta en

lagunas de estabilización.

El uso final de residuos sólidos producto de la combustión del carbón que se encuentran

almacenados en patios centrales, tiene usos en áreas como; la agricultura de

lombri-compuestos (fertilizante para el crecimiento de las plantas), mezcla de cenizas con bases y

subbases granulares, mezcla con suelos finos donde se ha demostrado la reducción de la

expansión (Abadi Ahmed, Afaf Ghais, 2014), suelos granulares (Cetin, Bora., Aydilek, Ahmet H.

& Guney Yucel., 2010); concretos en adiciones al cemento para disminuir la reacción álcali-sílice

(funciona como una puzolana); pavimentos adicionados en bases, sub-bases, sub-rasantes.

De acuerdo con lo anterior, se plantea la reutilización benéfica de los residuos producto de la

combustión de carbón, por ser un potencial contaminante, ya que su almacenamiento,

compactación o inundación, en patios al aire libre puede dar paso al arrastre de residuos

sólidos y lixiviados, que al depositarse en cuerpos hídricos son nocivos para el medio ambiente

y además por contener “metales potencialmente tóxicos como el Hg, Cd, Cr, Cu, Pb, Ni, V y Zn”

Justificación:

Una alternativa para disminuir la acumulación de estos residuos, es aplicable al área de

pavimentos y geotecnia; usando los residuos como adiciones para modificar suelos finos, bases

y subbases granulares o como rellenos confinados para disminuir los esfuerzos geostaticos o del

peso propio del suelo. Algunos estudios relacionados con estabilizaciones o mejoramiento de

suelos finos con adición de RPCC y otros compuestos como cemento y cal, han demostrado

que, disminuye que las adiciones de RPCC modifica las propiedades de los materiales con los

cuales se mezcla y con respecto al módulo resiliente no se sabe en qué proporción, ni más aún,

si se mezcla suelo fino con RPCC sin ningún otro compuesto como cal o cemento; por lo que se

hace relevante evaluar las propiedades físicas, químicas y mecánicas de la mezcla de suelo fino,

con diferentes el índice de plasticidad y la relación de vacíos y aumenta los valores de CBR

(Robert Brooks, F.ASCE; Felix F. Udoeyo, A.M.ASCE; and Keerthi V. Takkalapelli, 2011) por lo

tanto es claro proporciones de RPCC para deducir su comportamiento. La variación del módulo

resiliente afecta la rigidez de la subrasante debido a las deformaciones permanentes que se

pueden generar, esto puede disminuir o aumentar el fisuramiento por tracción en la fibra inferior

de la carpeta asfáltica, la cual se produce por deformación de la subrasante (Rondón Q, Hugo

Alexander & Reyes Lizcano, Fredy Alberto, 2015). Otra de las razones es la disminución de

explotación de materiales para construcción, si se masifica el uso de subproductos como la

cenizas provenientes de Termoeléctricas, en estructuras de pavimento o cimentación, puede

traer como beneficio la disminución en el impacto ambiental al explotar menos materiales y

disminuir las emisiones de CO

2

y económico al tener que utilizar menor cantidad de materiales.

1.1.

Objetivos.

1.1.1.

Objetivo General.

Evaluar el módulo resiliente de un suelo fino con adición de residuos de la combustión de

carbón (RPCC), proveniente de la central termoeléctrica TERMO ZIPA.

1.1.2.

Objetivos Específicos.



Caracterizar físico-químicamente un suelo fino.



Caracterizar físico-químicamente los residuos producto de la combustión del carbón (RPCC).



Caracterizar físico-mecánicamente un suelo fino de subrasante, con adición de residuos

producto de la combustión de carbón.

2.

MARCOS DE REFERENCIA

2.1.

Marco Conceptual.

Comportamiento de un pavimento:

Cuando un vehículo circula sobre un pavimento, los ejes de carga transmiten esta carga a la

estructura del mismo y esta a su vez la transfiere a la subrasante, donde se genera un estado

de esfuerzos y deformaciones que dependen del tipo de suelo, ver Fig. 6, donde se aprecia una

carga que se desplaza a velocidad constante y que corresponde a los puntos A, B y C, en A y C

además de esfuerzos normales se evidencia esfuerzos cortantes en sentido contrario y en el

punto B se aprecia los esfuerzos normales con ausencia de los esfuerzos cortantes, es en este

punto como se simulan las cargas en el laboratorio.

Fig. 6

Efecto de las cargas dinámicas en la estructura de un pavimento.

Las cargas aplicadas por efecto del tránsito son de corta duración y por lo tanto dinámicas y

cíclicas, estas cargas generan deformaciones en el material, de las cuales algunas son

recuperables (elásticas ó resiliente) y otras permanentes (plásticas). Las deformaciones

permanentes pueden llegar a la fractura del material, modificando su rigidez inicial y por

consiguiente el deterioro de la estructura del pavimento y disminuyendo la durabilidad, por lo

tanto algunas de las pruebas de laboratorio que se deben realizar para determinar las

propiedades mecánicas son aquellas que tengan implícitas las características de carga cíclica y

deformación como es el caso del módulo resiliente, además de lo anterior algunas de las

metodologías actuales para el diseño de pavimentos, tienen en cuenta esta propiedad

fundamental para la caracterización de materiales como es el caso del método AASHTO

(American Association of State Highway and Transportation Officials), entre otros.

Módulo Resiliente:

El módulo resiliente (Mr) es un parámetro utilizado para la caracterización de los materiales

granulares finos y gruesos y fundamental en el diseño de pavimentos flexibles. Su desarrollo se

llevó a cabo con investigaciones Hveem y Carmany (1948) evolucionando hasta Seed et al

(1962):



Hveem y Carmany (1948) reconocieron que el módulo dinámico de elasticidad para subrasantes

es un parámetro de gran importancia para entender el agrietamiento (por fatiga) de las

superficies de asfalto y que la carga monotónica podría no ser la adecuada para su

determinación.



En 1955, Hveem desarrolló el tema “comportamiento resiliente de los pavimentos”. El propuso la

prueba del estabilómetro para caracterizar a las subrasantes (Secretaria de Comunicaciones y

Transportes & Instituto Mexicano del Transporte, 2001).



Seed y sus colegas de la Universidad de California siguieron lo establecido por Hveem y

desarrollaron pruebas de carga repetida e introdujeron el término de módulo de resiliencia (Seed

et al 1955)



Este término fue cambiado más tarde por el de módulo resiliente (Seed et al, 1962) citado por

(Secretaria de Comunicaciones y Transportes & Instituto Mexicano del Transporte, 2001), el cual

fue definido como la magnitud del esfuerzo desviador repetido en compresión triaxial dividido

entre la deformación axial recuperable y se representa como sigue:

Donde:

σ1= Esfuerzo principal mayor

σ3= Esfuerzo principal menor

σd= Esfuerzo desviador

εaxial = Deformación recuperable

La ecuación 2.1 se puede relacionan con la Fig. 7

Fig. 7 Efecto de las cargas dinámicas en la estructura de un pavimento.

Fuente:(Felicita & Gutiérrez L., Wilfredo, 2003)

El módulo resiliente no es constante para todo tipo de suelos finos o materiales granulares, y

depende de diferentes factores como el estado de esfuerzos, contenido de humedad, densidad

seca, número de repeticiones de carga, energía de compactación y la tixotropía del suelo (Seed

et al., 1962). Durante pruebas de carga repetida se observa que después de un cierto número de

ciclos de carga, el módulo llega a ser aproximadamente constante y la respuesta del suelo puede

asumirse como elástica. Al módulo que permanece constante se le llama módulo de resiliencia

ver figura Fig. 8 y Fig. 9 “La nueva Guía Empírico-Mecanística para el Diseño de Pavimentos

(MEPDG) de AASHTO en 2011, ha demostrado enfáticamente el rol fundamental que tienen los

factores climáticos en el desempeño del pavimento (Zapata et al., 2007; Zapata et al., 2009;

Zapata y Houston, 2009; Zapata y Cary, 2009), y en particular, los efectos del contenido de

humedad.” (Cary y Zapata, 2011)

Fig. 8 Deformación acumulada con el número de aplicaciones del esfuerzo desviador.

Fuente: (Limaymanta M., Felicita Marlene & Gutierrez L., Wilfredo, 2003)

Fig. 9 Deformación acumulada con el número de aplicaciones del esfuerzo desviador.

Fuente (Secretaría de Comunicaciones y Transportes Instituto Mexicano del Transporte, 2001).

Residuo producto de la combustión del carbón (RPCC):

Las cenizas volantes es el producto de la combustión del carbón, puede ser de color gris si tiene

alto contenido de cal o negro si tiene alto contenido de carbón, el tamaño de la ceniza puede

variar de 1 a 400

micras, tiene una alta variación en la densidad 0.09 – 2.39 g/cm3 su

composición química y mineralógica depende de la fuente de material y su producción.

Los residuos producto de la combustión del carbón durante los procesos de extracción, los

metales pesados tienen un comportamiento que puede predecirse por ensayos de lixiviación,

según la norma DIN 38414-S4; consiste en la lixiviación de 100 g de material sólido (peso en

seco) con 1 L de agua destilada en un envase de 2L durante 24 horas con agitación continua.

Como la lixiviación no es extrapolable en condiciones bajo valores de pH ácido, se realiza el

ensayo de lixiviación y movilidad real en matrices bajo pH ácidos. (NLIA MORENO, 2001)

La caracterización de los residuos producto de la combustión del carbón incluye la mineralogía,

es la identificación y cuantificación del contenido en las fases cristalinas y amorfas de estos

residuos, se lleva a cabo mediante la Difracción de Rayos X (DRX); método que se basa en la

interacción de los Rayos-X y la materia cristalina que produce la difracción. (NLIA MORENO,

2001). En la Fig. 10 se muestra el aspecto morfológico de la ceniza de TERMOTASAJERO,

imágenes obtenidas mediante un microscopio electrónico de barrido (MEB).

Fig. 10 Aspecto morfológico ceniza TERMOTASAJERO.

Fuente “Rev. latinam.meta.mat”. Activación de las propiedades cementicias de la ceniza volante mediante

electromutagénesis química. 2015.

2.2.

Marco Teórico.

De acuerdo a las investigaciones realizadas se ha demostrado que hay factores que intervienen

en el resultado del módulo de resiliente de suelos finos, entre los cuales mencionaremos los

siguientes:

Influencia en el contenido de agua:

(Barksdale 1972; Fredlund 1977; Drumm et al. 1997; Huang, 2001; Butalia 2003, y Heydenger

2003, citados por Titi et al. 2006, Drumm et al. 2006 citado por Titi et al. 2006) citados por

(Instituo Mexicano del Transporte, 2016), concluyeron que el módulo de resiliente de los

suelos de subrasante se reduce con el incremento en contenido de agua o grado de saturación,

Andrei et al 2009, citados por (Rondón Q, Hugo Alexander & Reyes Lizcano, Fredy Alberto,

2015) encontraron que un aumento del 3% al 5% en el contenido de humedad en las arcillas da

como resultado una disminución del entre el 50% y el 70% en el Mr., Li & Selig 1994 citado por

(NCHRP, 2000) ver Fig. 11 donde se muestra la disminución del módulo resiliente con respecto a

la humedad óptima.

Para introducir los efectos de la variación del contenido de humedad dentro de un modelo

racional para la predicción del Mr, se hace imprescindible estudiar la relación entre las presiones

de poro positivas o negativas (succión) y la respuesta resiliente de los materiales sueltos

incorporando los principios que rigen la mecánica de suelos no saturados. “La presión de poro de

agua es generada bajo la carga dinámica impartida por el tráfico vehicular. Dicha presión se

genera de forma continua y con poca o ninguna disipación de por medio, a este mecanismo se le

conoce como fase de generación de presión de poro y usualmente es considerado como una

condición transitoria” (Cary y Zapata, 2011).

La fase de disipación de la presión de poro ocurre en el período intermedio a los ciclos de carga,

y su efectividad es principalmente función de la permeabilidad del material (Gucunzki y Brill,

1994) y de la frecuencia de tráfico vehicular. Cuando el tiempo de reposo entre ciclos de carga

es suficientemente prolongado (bajo tránsito vehicular), se desarrolla poco o ningún aumento en

la presión de poro de agua debido a que hay tiempo suficiente para su disipación. Dicha

condición se puede reproducir en el laboratorio mediante un ensayo drenado de Mr. Por otro

lado, cuando el tiempo de reposo entre ciclos de carga es corto (alto tráfico vehicular), o la

permeabilidad del suelo es baja, entonces el suelo experimenta un aumento en la presión de

poro, esta última condición es simulada en el laboratorio mediante un ensayo no drenado de Mr.

“Se ha determinado que los efectos de los cambios ambientales en el estado de esfuerzos deben

ser relacionados no solamente con el contenido de humedad del suelo, sino con los cambios en

Fig. 11 Variación del módulo resiliente con la humedad.

Fuente: Li & Selig 1994 citado por NCHRP 2000

la succión matricial como variable fundamental en el estado de esfuerzos para los suelos no

saturados. El flujo hidráulico es gobernado por los gradientes de la succión matricial en los

suelos no saturados o la presión de poro de agua positiva en suelos saturados. Como fue

propuesto por Fredlund y Rahardjo (1987), el Mr de los suelos no saturados puede ser descrito

como una función de tres variables de esfuerzos, tal y como se muestra en la ecuación.

Donde:

Ua: es la presión de poro de aire,

Uw: es la presión de poro de agua,

(σ3- ua) es el esfuerzo de confinamiento neto,

(ua – uw) = ψm es la succión matricial, y

(σ1-σ3) es el esfuerzo desviador.

Estas variables de esfuerzo, a excepción de ψm, son consideradas en el Modelo Universal

propuesto por Uzan y Witczak (1988), mediante el uso de las invariantes del tensor de esfuerzos:

esfuerzo bulk (θ) y esfuerzo octahédrico (τoct)” (Cary y Zapata, 2011).

Influencia de la densidad:

Thompson et all. 1998, Al Refeai y Al-Suhaibani 2002, George 2004, Rahim 2005, Yangel et al

2005 y Mohammed et al 2007 citados por (Rondón Q, Hugo Alexander & Reyes Lizcano, Fredy

Alberto, 2015), reportaron que el Mr. de suelos cohesivos se incrementa con el peso unitario, Li

& Selig citado por (NCHRP, 2000) indican que la variación del Mr debe ser evaluado con la

humedad ya que al

incrementar la densidad no siempre aumenta el Mr. Ver Fig. 12

Fig. 12 Influencia de la humedad y la densidad en el Mr.

Fuente: Li & Selig 1994 citado por NCHRP 2000

Influencia según el tipo de compactación:

Sedd et al. 1962 y Lee et al. 1997 citados por (Rondón Q, Hugo Alexander & Reyes Lizcano,

Fredy Alberto, 2015) indican que muestras compactadas estáticamente generan mayores Mr. En

comparación con aquellas que son compactadas por amasado, de igual forma (Secretaria de

Comunicaciones y Transportes & Instituto Mexicano del Transporte, 2001) la Fig. 13 muestra los

valores de módulo de resiliencia desarrollados a 60000 aplicaciones, en muestras preparadas

para toda la curva de compactación. Para contenidos de agua entre 16 y 18%, la variación en

módulos de resiliencia obtenidos por ambos métodos presentan diferencias muy marcadas.

Evolucion de las ecuaciones resilientes (elasticas no lineales) para materiales fino

granulares:

A continuación se relacionan algunas ecuaciones para el cálculo del Mr. teniendo en cuenta su

comportamiento no lineal citados por (Rondón Q, Hugo Alexander & Reyes Lizcano, Fredy

Alberto, 2015).



EL MEPDG (2004), con el fin de tener en cuenta los cambios del contenido de agua en la

subrasante, recomienda utilizar la siguiente ecuación.

log (

𝑀

𝑟

𝑀

𝑟

−𝑜𝑝𝑡

) = (𝑎 +

𝑏−𝑎

1+exp[𝛽+𝑘

1

∗(𝑆−𝑆

𝑜𝑝𝑡

)]

)

𝑀

_𝑟

− 𝑜𝑝𝑡

Es el módulo resiliente sobre muestras fabricadas con el contenido de agua optimo y

con la máxima densidad seca del material especificado por el ensayo Proctor modificado, S es

el grado de saturación de la muestra,

𝑆

_𝑜𝑝𝑡

es el grado de saturación en el contenido óptimo de

Fig. 13 Influencia del contenido de agua y el método de compactación en el en

el Mr.

agua, a es el valor mínimo de

log (

𝑀

𝑟

𝑀

𝑟

−𝑜𝑝𝑡

)

, b es valor máximo de

log (

𝑀

𝑟

𝑀

𝑟

−𝑜𝑝𝑡

)

,

𝛽

=h

(

−𝑏

𝑎

)

, y

𝑘

_𝑚

es un parámetro de regresión

Investigadores como Liang et al. (2008) mencionan que la ecuación presenta como principal

limitación que no tiene en cuenta el estado del esfuerzo



Rahim (2005) propone para suelos finos las siguiente ecuación

𝑀

_𝑟

= 𝑎 [(

𝐿𝐿

𝑤

𝑐

+1

𝛾

𝑑

)

𝑏

+ (

#200

100

)

𝑐

]

𝐿𝐿

Es el límite líquido,

𝑤

_𝑐

es el contenido de agua,

𝛾

_𝑑

es la densidad seca, #200 es el

porcentaje de material que pasa el tamiz No. 200en un ensayo de granulometría, y a, b y c son

constantes.



Yang et al. (2005) proponen la ecuación denominada Stress – Matric Suction Model para tener

en cuenta el efecto de la succión matricial sobre el

𝑀

_𝑟

𝑀

𝑟

= 𝑎(𝜎

𝑑

+ 𝑥Ψ

𝑚

)

𝑏

𝜎

_𝑑

Es el esfuerzo desviador cíclico, x es un parámetro función del grado de saturación (x=0 para

suelos secos y x=1 para suelos saturados),

Ψ

𝑚

= 𝑢

𝑎

− 𝑢

𝑤

es la succión matricial,

𝑢

𝑎

− 𝑢

𝑤

son la presión de poros debido al aire y al agua dentro del suelo respectivamente, y a y b son

coeficientes de regresión



Elias t Titi (2006) con base en el estudio realizado sobre 17 suelos de subrasante en Wisconsin

(USA, proponen modificar los parámetros

𝑘

i

en la ecuación (10.59) de la siguiente forma.

𝑘

₁

= 𝑎 + 𝑏 ∗ 𝐼𝑃 + 𝑐 ∗ 𝛾

_𝑑

+ 𝑑 (

𝑤

𝑤

𝑜𝑝𝑡

)

𝑘

₂

= 𝑒 + 𝑓 ∗ 𝐼𝑃 + 𝑔 (

𝑤

𝑤

𝑜𝑝𝑡

) (

𝛾

𝑑

𝑤

𝑑𝑚𝑎𝑥

)

𝑘

3

= ℎ + 𝑖 ∗ 𝐼𝑃 + 𝑗 ∗ 𝛾

𝑑

+ 𝑘 (

𝑤

𝑤

𝑜𝑝𝑡

)

𝐼𝑃

Es el índice de plasticidad

𝛾

_𝑑

es la densidad seca del suelo,

𝑤

_{𝑑𝑚𝑎𝑥}

es la densidad máxima

que puede alcanzar el suelo en el ensayo Proctor,

𝑤

es el contenido de agua y

𝑤

_𝑜𝑝𝑡

es el

contenido óptimo de agua obtenido del ensayo Proctor.

Ecuaciones similares fueros propuestas por Joshi y Malla (2006) y por Malla y Joshi (2007 –

2008), en las cuales los parámetros

𝑘

1

tienen en cuenta la influencia del contenido del contenido



Han et al. (2006) desarrollando un software para estimar

𝑀

_𝑟

para suelos fino-granulares. El

software fue desarrollado a través de aproximaciones con un sistema de expertos



Mohammad et al. (2007) con base en ensayos realizados in situ con penetrometros dinámicos

sobre subrasante arcillosas, proponen la siguiente ecuación, denominada “modelo DCP-

𝑀

_𝑟

”

𝑀

𝑟

= 𝑎 (

1

𝐼𝑃𝐶𝐷

) + 𝑏 (

𝛾

𝑑

𝑤

)

𝐼𝑃𝐶𝐷

Es el índice de penetración en cono dinámico,

𝛾

𝑑

es la densidad seca del suelo

𝑤

es el

contenido de agua y a y b son parámetros de regresión.



Yang et al. (2008), con base en el concepto del shakkdown y realizando ensayos triaxiales bajo

N=

10

4

_y

₁₀

5

_{, proponen la siguiente ecuación:}

𝜀

𝑝

= 𝐴 ∗ 𝑆𝐿

𝐵

(

𝑀

𝑟

𝑀

𝑟𝑖

)

𝑐

𝑁

𝐷

𝜀

_𝑝

es la deformación permanente en porcentaje, SL es la relación entre el esfuerzo cíclico

desviador aplicado y el esfuerzo cíclico desviador aplicado y el esfuerzo desviador máximo

alcanzado por el material en un ensayo triaxial no consolidado no drenado,

𝑀

_𝑟𝑖

es el módulo

resiliente inicial determinado en los primeros 5 – 10 ciclos de carga (N), y A,B,Y D son

parámetros de regresión.



Liang et al. (2008) proponen

𝑀

_𝑟

= 𝑘

₁

𝑃

_𝑎

(

𝜃+𝑥

𝑚

Ψ

𝑚

𝑝

𝑎

)

𝑘

2

(

𝜏

𝑜𝑐𝑡

𝑝

𝑎

+ 1)

𝑘

3

𝜃 = 𝜎

₁

+ 𝜎

₂

+ 𝜎

₃

Es la suma de los esfuerzos principales,

𝑝

_𝑎

es la presión atmosférica

(14.7psi 0 100 kPa),

𝜏

𝑜𝑐𝑡

es el esfuerzo cortante octaédrico, X es un parámetro en función del

grado de saturación (x=0 para suelos secos y x=1 para suelos saturados),

Ψ

_𝑚

=

𝑢

_𝑎

𝑦 𝑢

_𝑤

son la

presión de poros debido al aire y al agua dentro del suelo respectivamente y

𝑘

_i

son coeficientes

de regresión.



Khoury et al. (2009), con base en los ensayos triaxiales cíclicos realizados sobre tres muestras

de arcilla, reportan que la ecuación propuesta por le MEPDG (2004) no muestra una fuerte

correlacion con los resultados que experimentaros estos suelos en los ensayos. Esto debido a

que ellos evidenciaron que suelos con bajo índice de plasticidad (IP) son menos suseptibles a

cambios de humedad que suelos con valores elevados de IP. Por lo tanto, proponen en dicha

ecuación modificar el parámetro

𝑘

_𝑚



Sawangsuriya et al. (2009):

𝑀

𝑟𝑠

= 𝑎 + 𝑏 log(𝑢

𝑎

− 𝑢

𝑤

)

𝑀

_𝑟𝑠

E s la relación entre el

𝑀

_𝑟

obtenido a una determinada succión y el

𝑀

_𝑟

con una succión de

referencia

𝑢

𝑎

𝑦 𝑢

𝑤

son la presión de poros debido al aire y al agua dentro del suelo

respectivamente, y a y b son parámetros obtenidos por regresión.

Evolución de las ecuaciones para determinar la deformación en suelos fino granulares:

A continuación se relacionan algunas ecuaciones para el cálculo del Mr. teniendo en cuenta su

comportamiento no lineal citados por (Rondón Q, Hugo Alexander & Reyes Lizcano, Fredy

Alberto, 2015).



Monismith et al. (1975) proponen la siguiente ecuación, la cual es una de las más utilizadas

para predecir la evolución de las deformaciones permanentes en la dirección vertical

(𝜀

𝑝

)

con el

número de ciclos de carga (N):

𝜀

_𝜌

= 𝑎𝑁

𝑏

a y b son parámetros de regresión



Tseng y Lytton (1989) proponen la ecuación (11.32) para suelos de subrasante. Esta ecuación

es la recomendada por el MEPDG (2004) para predecir deformaciones permanentes.

𝜀

𝑝

𝜀

𝑟

=

[exp(𝑝

𝛽

×𝑎

1

𝑀

𝑟

𝑏1

)+𝑒𝑥𝑝(

𝜌𝛽

109

×𝑎

9

𝑀

𝑟

𝑏1

_)]

2

exp (

𝜌

𝑁

)

𝛽

log 𝛽 = 0.61119 − 0.017638𝑊

𝑐

𝜌 = 10

9

[

𝐼𝑛(

𝑎1𝑀𝑟

𝑏1

𝑎9𝑀𝑟

𝑏1

)

1−(10

9

₎

𝛽

]

1

𝛽

𝛽𝑦𝜌

Son parámetros de regresión

𝜀

_𝑟

es la deformación vertical resiliente, W es el contenido de

agua en porcentaje, y M, es el módulo resiliente.



Raad y Zeid (1990) proponen, para magnitudes de esfuerzo pequeñas, la siguiente ecuación

𝑞 =

𝜀

𝑎

𝑎+𝑏 log 𝑁

Cuando los niveles de esfuerzo son elevados proponen:

𝑞 =

𝜀

𝑎



Cheung (1994) propuso la siguiente ecuación con base en ensayos sobre material de arcilla

bajo

10

𝑏

_{ciclos de carga.}

𝜀

_𝜌

= 𝐴 (

𝑞

𝑟

𝑠

)

𝑏

(log 𝑁 + 𝐵)

Q, es el esfuerzo desviador, s es la succión, N es el número de ciclos de carga y A, b y B son

parámetros de regresión.



Muhanna et al. (1998) proponen la siguiente ecuación:

log [∑

𝜀

𝑝

𝑆𝐿

7

⁄

4

_𝑒

3

] = 1.3 + 2.476

𝑊 − 𝑊

0

𝑊

0



Zhao et. (2004) modificaron la ecuación (11.31) con base en un estudio realizado sobre ocho

suelos típicos de subrasante en el estado de Arkansas (USA).

𝜀

_𝜌

= 𝑎𝑁

𝑏

_{= 10}

𝑐

₍

𝜎

𝑑

𝑞

_𝑠

)

𝑏

𝑁

10

((

𝜎𝑑

𝑞𝑠

))

𝜎

𝑑

Es el esfuerzo desviador,

𝑞

𝑠

es la resistencia al corte en el estado pico del suelo, y c-f son

parámetros del material obtenidos por regresión.



Hau y Mc Dowell (2005) proponen la ecuación (11.40) para determinar el espesor necesario que

se debe colocar de base granular con el fin de proteger la subrasante y evitar ahuellamiento

excesivo durante la fase constructiva del pavimento.

log 𝑁 =

𝑙

𝑔(𝐶𝐵𝑅)0.63

190

− 0.24

N es número de ciclos de carga,

𝑙

_𝑔

es el espesor de la capa granular en mm, CBR es la

relación del soporte de california y debe ser expresado en porcentaje



Turnbull y Ahlvin (1957) había reportado una ecuación similar para calcualr el espesor (t en cm )

que se necesita de una estructura de pavimento flexible con el fin de que la subrasante no falle

por esfuerzos de corte:

𝑡 = 𝛼√

𝑃

8.1𝐶𝐵𝑅

−

𝐴

𝜋

P es la carga en Kn, A es el atea de contacto en

𝑐𝑚

2

, y

𝛼

es un parámetro que depende del

tipo del suelo.



Yang y Huang (2007) proponen la siguiente ecuación para determinar la evolución de la

deformación permanente con el número de ciclos de carga (N):

𝜀

_𝜌

= 𝜀

_𝑎𝑝𝑝

𝑁

𝑘

𝜀

_𝑎𝑝𝑝

Es la deformación inicial



Yang et al. (2008) encontraron una relación entre el módulo resiliente y la deformación

permanente a través de la siguiente ecuación:

𝜀

_𝑝

= 𝐴 ∗ 𝑆𝐿

𝐵

(

𝑀

𝑟

𝑀

𝑟𝑖

)

𝑐

𝑁

𝐷

𝜀

_𝑝

es la deformación permanente en porcentaje, SLes la relación entre el esfuerzo cíclico

desviador aplicado y el esfuerzo cíclico desviador aplicado y el esfuerzo desviador máximo

alcanzado por el material en un ensayo triaxial no consolidado no drenado,

𝑀

_𝑟𝑖

es el módulo

resiliente inicial determinado en los primeros 5 – 10 ciclos de carga (N), y A,B,Y D son

parámetros de regresión.

2.3.

Marco de Antecedentes.

Las investigaciones realizadas sobre el uso de la ceniza en la construcción de obras civiles han

sido ampliamente difundidas. En 2001 Rodríguez M., Mario A.(Mario Alberto Rodríguez Moreno,

2001), estabilizo una base granular con porcentajes de cal apagada entre el 2 y 3% como

material activante y ceniza entre el 8 y 12% proveniente de la Termoeléctrica Juan del Corral, en

proporciones recomendadas por la normativa francesa NF P98-119(«Essais relatifs aux

chausées», 1995), en esta investigación se midió resistencia a la tensión directa y módulo de

elasticidad, compresión inconfinada, reactividad de la ceniza con la cal, obteniendo mejoras en

las propiedades de la base, con proporciones de ceniza y cal del 10 y 3%, no se realizó

caracterización de la ceniza. En 2006 Necmi Yarbaşı (Yarbaşı, Necmi., Kalkan Ekrem & Akbulut.

Suat, 2007), utilizaron tres tipos de aditivos, Humo de Silice + Limo, Ceniza volante + Limo y

Barro Rojo + Cemento, los cuales se mezclaron en proporciones de 0, 2.5, 5, 10 y 20% del

peso, con dos tipos de materiales granulares, donde se evaluaron algunos parámetros como:

CBR California Bearing Ratio), resistencia a la compresión, módulo dinámico de corte, , donde

se evidencio un crecimiento de las propiedades antes mencionadas y una disminución en las

pruebas de durabilidad con ciclos de hielo y deshielo y ultrasonido. Camacho Tauta et al en

2006 (Camacho Tauta, Javier Fernando, Reyes Ortiz, Oscar Javier, Mayorga Antolinez,

Catalina, & Mendez G., Dolly Fernanda, 2006), evaluaron el comportamiento de una arcilla

expansiva (Bentonita) utilizando adiciones individuales de ceniza volante, cal y aceite sulfonado,

midiendo propiedades índice (LL e IP) y expansión, concluyeron que el mejor resultado se dio

con la mezcla de ceniza, pero que se requiere cantidades >25%, para estabilizar la arcilla y con

cal solo el 10%, en esta investigación no se realizó la caracterización de la ceniza. En 2016 el

Instituto Mexicano del Transporte público el documento técnico “Modelo para estimar el módulo

de resiliencia de suelos finos compactados en la condición óptima de compactación”(Instituto

Mexicano del Transporte, 2016), se obtuvieron 35 tipos de suelo entre ellos 14 de suelo fino y a

los cuales se hallaron propiedades índice, proctor y Mr. para lo cual las muestras fueron

compactadas por carga estática y elaboradas por triplicado para los 35 tipos de suelo, en los

resultados reportados por el documento se observa que el módulo resiliente aumenta al

incrementar la presión de confinamiento y disminuye con el incremento del esfuerzo desviador

ver

Fig.

14

Seed et al. (1962), Brown y Selig (1991), Li y Seling (1994), Mohammad et al. (1995), Arm

(1996), Dawson y Gomes Correia (1996), Lee et al. (1997), Thomsom et al. (1998), Bejarano y

Thomson (1999), Al-Refeai y Al Suhaibani (2002), Vidal y Osorio (2002, 2006), Frost et al.

Fig. 14 Resultados típicos de una prueba de módulo resiliente para un suelo fino.

Fuente (Instituto Mexicano del Transporte, 2016)

Localización

de la mina

municipio de

Zipaquira

(2004), George (2004), Elias et al. (2004), Rahim (2005), Yang et al. (2005), Kim y Siddki (2006),

Elias y Titi (2006) y Liang et al. (2008), citados por Rondón y Reyes (2015)(Rondon Q. Hugo A. &

Reyes L. Fredy A., 2015), reportaron que el módulo resiliente de suelos finos disminuye cuando

se incrementa el esfuerzo desviador en ensayos Triaxial cíclicos.

3.

MATERIALES Y MÉTODOS

3.1.

Materiales.

3.1.1.

Suelo fino

Se seleccionó como suelo fino una arcilla empleada en la fabricación de ladrillo y bloque, de una

fábrica localizada en el municipio de Zipaquirá (Cundinamarca), la Fig. 15 localiza la geología del

sector, la Fig. 16 la ubicación de la mina.

Fig. 15 Plancha Geológica 209 Escala 1:100.000

Fuente INGEOMINAS 2003.

Localización

de la mina

Localización

de la mina

municipio de

Zipaquira.

Fig. 17 Mapa de recursos minerales de Colombia. Plancha 5-09.

Fuente INGEOMINAS 2001.

Fig. 16 Localización de la mina.

Fuente Google maps.

La formación del suelo fino corresponde al periodo Cenozoico y época del Cuaternario Qc

(Depósitos coluviales), que se presenta como bloques embebidos en una matriz arcillo-arenosa

(INGEOMINAS, 2003).

De acuerdo con la Fig. 17, el ambiente de formación es sedimentario y se encuentra un

depósito de arcillas.

3.1.2.

Residuos producto de la combustión del carbón (RPCC)

El material se obtuvo de la Central Termoeléctrica Termozipa Martin del Corral. Las centrales

termoeléctricas usan como fuente principal de generación de energía el carbón. En general, el

carbón es una roca de origen orgánico, “formada principalmente por carbono amorfo

acompañado de hidrocarburos, compuestos orgánicos de naturaleza compleja (glúcidos como la

celulosa y lignina), proteínas vegetales y materia inorgánica, producto de la descomposición de

restos vegetales que se acumularon en el periodo Carbonífero, en zonas pantanosas, lagunares

o mares” (La Cadena del Carbón en Colombia, 2005). El carbón o carbón mineral es una roca de

origen sedimentario o metamórfico según el proceso de formación el cual puede ser turba,

lignito, hulla (sedimentarias) y antracita (metamórfica).

El carbón se lleva a los centros de acopio de la central termoeléctrica, donde se tritura y

pulveriza. Posteriormente, se inyecta el carbón mezclado con aire caliente a presión en la

caldera para su combustión.

3.1.3.

Mezclas de suelo fino con RPCC

Una vez caracterizados el suelo fino (SF) y el RPCC, y secados al horno a temperaturas de 110°

y 60°C con el fin de disminuir la deshidratación de la cal (componente de la ceniza clase c), a 24

y 48 horas respectivamente (debido a la finura del material y la cantidad; a 24 horas aun

presentaba humedad en su interior), se cuarteó el suelo fino de acuerdo a lo indicado en la

norma INV E104-13 método B, no se realizó un macerado con mortero con el fin de evaluar la

condición real de colocación del suelo fino en el terreno, para el caso de la ceniza no fue posible

realizar cuarteo ya que el material es volátil.

Se prepararon tres tipos de mezclas con proporciones de:



90% SF / 10% RPCC



80% SF / 20% RPCC



60% SF / 40% RPCC

Estas proporciones se escogieron porque el porcentaje de RPCC se adiciona menor al 20% en

las investigaciones encontradas, se prepararon en función de la masa seca en una cantidad

aproximada de 25 kg para cada muestra, que es lo que comprendía la masa de los ensayos a

realizar. Las mezclas se hicieron en bandeja de laboratorio de forma manual.

Una vez preparadas las mezclas con el contenido de humedad óptima para el Próctor estandar

se colocaron en bolsas herméticamente selladas, y se depositaron en cuarto de curado con el fin

de disminuir perdida de material y contenido de agua.

Balanza

Recipiente

con RPCC

Recipiente con

suelo fino

Rociador

Base para

_mezclar

Embalaje de

_muestras

Fig. 18 Aspecto de los materiales. Fig. 19 Aspecto de los materiales.

Probetas

Cronometro

3.2.

Métodos experimentales

3.2.1.

Propiedades físicas

Granulometría con hidrómetro:

Con este procedimiento se obtiene la distribución de los diferentes tamaños de partícula que

componen el material de ceniza y suelo fino. La metodología utilizada corresponde al uso de

un hidrómetro 151H graduado que indica los gramos por litro de suspensión, mediante

sedimentación de cada uno de los materiales de acuerdo a lo descrito en INV E-123-13.

Fig. 22. Hidrometrías del suelo fino y el RPCC.

Determinación del límite líquido de los suelos:

Esta prueba permite determinar la cantidad de agua en porcentaje que requiere la muestra de

suelo para pasar del estado plástico al estado líquido, mediante el procedimiento descrito en

INV E-125-13. Para este caso se aplicó el método A.

Determinación del límite plástico:

Esta prueba permite determinar la cantidad de agua en porcentaje que requiere la muestra de

suelo para pasar del estado semisólido al estado plástico, mediante el procedimiento descrito

en INV E-126-13. El índice de plasticidad corresponde a la diferencia numérica entre límite

líquido y el límite plástico.

Papel filtro

Aureola

Determinación del límite de contracción:

De acuerdo con lo descrito en la norma INV E-127-13, se realizó el ensayo de límite de

contracción, el cual corresponde a la cantidad de agua necesaria en una muestra de suelo, para

que un secado adicional no presente ninguna reducción de volumen, se utilizó mercurio.

Clasificación del área de superficie específica a partir de su valor de azul de metileno:

Esta prueba permite determinar la cantidad de material orgánico y arcilloso dañino de un suelo,

de acuerdo a lo descrito en INV E-182-13. El procedimiento corresponde a verter agua destilada

en un recipiente con pequeñas porciones de azul metileno, después seleccionamos una muestra

para dejar caer gotas sobre un papel filtro hasta formar un anillo o aureola y de esta forma

cuantificar la cantidad de azul de Metileno.

Fig. 23 Determinación del valor de azul de metileno.

Este ensayo se realizó con el fin de caracterizar la fracción fina del suelo en términos del área de

superficie específica, que se define como la relación entre el área superficial de las partículas y

su masa. Esta propiedad está en función de su tamaño y es directamente proporcional a su

capacidad para absorber agua, su reactividad química y por ende, también afecta los valores de

los límites de Atterberg (Santamarina, Klein, Wang, & Prencke, 2002). Este parámetro se calculó

utilizando la siguiente ecuación.

En donde:



Ss = área de superficie específica (m

2

_/g).

Picnómetro

_{Gravedad Específica}



Mmb = masa de azul de metileno disuelta para el ensayo = 10 g



Vmb = volumen de la solución de azul de metileno para el ensayo = 1000 mL



N = número de adiciones de azul de metileno previo para obtener la aureola.



∆Vmb = volumen de azul de metileno en cada adición = 5 mL,



Av = número de Avogadro = 6.02 x 10^

23

Gravedad especifica:

El peso específico de un suelo está influenciado por el peso específico de los minerales que

componen sus granos. Se define como la relación entre el peso de un volumen dado de sólidos y

el peso de un volumen igual de agua destilada a la temperatura de ensayo. En esta prueba se

coloca una muestra del material en un picnómetro, agitándolo hasta eliminar las burbujas y el

aire atrapado se elimina mediante bomba de vacío. Después ajustamos la temperatura de la

muestra para proceder a determinar la masa total de acuerdo a lo descrito en INV E-128-13.

Fig. 24 Determinación de la gravedad especifica.

Proctor Estándar:

Este ensayo se realizó con el objetivo de determinar la relación entre la humedad y el peso

unitario seco de los suelos o curva de compactación. El material se compactó en un molde de 4”

y con un martillo de 24,5 N. que cae libremente desde una altura de 30,5 cm, produciendo una

energía de compactación 600 kN-m/m3. El material se coloca dentro de un molde de 4”, en tres

capas y a cada capa se aplican 25 golpes, elaborando varias muestras con diferentes

humedades.Con los resultados obtenidos se grafica la curva humedad vs. densidad seca y el

pico de la curva corresponde a la máxima densidad seca con la humedad óptima. Todo lo

anterior se desarrolló según lo descrito en la norma INV-E 141-13.

Martillo

Regla para

_escarificar

_Molde

Cámara

DRX

Fig. 25 Elaboración de muestras para hallar densidad máxima seca Vs contenido de humedad.

3.2.2.

Propiedades químicas y mineralógicas.

Mineralogía mediante difracción de rayos X (DRX):

Es un ensayo utilizado para el análisis cualitativo de las fases cristalinas de cualquier tipo de

geomaterial, el cual se realiza mediante dos métodos: muestras orientadas para suelos

arcillosos y polvo desorientado para los demás (incluyendo el RPCC). El método se basa en la

interacción de los rayos X y la materia cristalina que produce la difracción (NLIA MORENO

2001). Las muestras se trituraron hasta un tamaño de partícula <45 μm.

Fig. 26 Equipo para DRX.

Microscopio electrónico de barrido (MEB/SEM):

El ensayo permite caracterizar microestructuralmente la muestra, a altas magnificaciones para

materiales orgánicos e inorgánicos, suministrando información del tamaño, forma del grano,