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ESTABILIZACION DE SUELOS CON CENIZAS DE CARBON PARA SU USO COMO SUBRASANTE MEJORADA

Carolina Alejandra Prez collantes(1)

(1)Egresado, Facultad de Ingeniera Civil, Universidad Nacional de Ingeniera. Carolina4899@hotmail.com

Lima, Lima, Per

RESUMEN

La investigacin estudia el efecto que produce la adicin de cenizas volantes de carbn al suelo arcilloso, con el fin de utilizarlo en las obras de pavimentacin.La ceniza volante se obtuvo de la planta termoelctrica ubicada en Moquegua, que produce 20 toneladas por da y cuya eliminacin genera un problema ambiental. Actualmente existen 150,000 metros cbicos acumulados en el botadero, que pueden ser utilizables en construccin de carreteras.La metodologa de la investigacin es fsico qumica, caracterizando parmetros de mecnica de suelos mediante pruebas de laboratorio. Las pruebas se realizaron con diversos porcentajes de ceniza volante de carbn.

Se comprueba que la mezcla de ceniza volante con el suelo arcilloso y adicin de cemento, presenta mejor comportamiento para su uso como capa de sub-base y sub-rasante mejorada de los pavimentos.

Los diseos de la estructura tpica de pavimento, se aplicaron a suelo natural arcilloso y suelo estabilizado, mediante el mtodo mecanstico o emprico.La investigacin concluye en que existe viabilidad tcnica y econmica en capas de pavimentos empleando las cenizas volantes de carbn como material estabilizador de suelos.

1. INTRODUCCIN

Los suelos arcillosos, debido a su baja capacidad de soporte y mala calidad no siempre cumplen con los requerimientos necesarios para ser empleados en proyecto de pavimentacin. Una alternativa de solucin es mejorar las caractersticas mecnicas del material, estabilizndolo con productos adicionados. Las carreteras que se construyen sobre suelo de baja capacidad de soporte, presentan un elevado costo por su diseo demanda mayores espesores de pavimento. Luego su vida disminuye por problemas de hundimientos o asentamientos. Un problema adicional, en zona de selva, es el nmero de canteras de material granular, que justifican realizar trabajos de estabilizacin de suelos. En la ingeniera vial las arcillas representan un problema tcnico y econmico que requiere ser mitigado mediante utilizacin de diversos mtodos de estabilizacin.La presente tesis utiliza la arcilla evaluando su mejora con la adicin de ceniza volante en diferentes concentraciones. La ceniza volante procede de la combustin en la central termoelctrica ILO 21. La composicin de cada una de las clases de ceniza y el porcentaje de carbn encontrado en stas, depende del proceso realizado en la planta termoelctrica. Las cenizas son granos finos compuestos bsicamente por silicatos, aluminios, cal libre y algunos xidos que permiten una reaccin puzolnica con el suelo reduciendo el ndice de expansin y mejorando la capacidad de soporte. La presente investigacin contribuye con la interpretacin del comportamiento de los suelos estabilizados con ceniza volante de la central termoelctrica de Ilo, potenciando el conocimiento y su utilizacin en obras de pavimentacin de carreteras.

1.1.- Ceniza volante.

1.1.1 Definicin.

La ceniza volante procede de la combustin en la central termoelctrica ILO 21. La composicin de cada una de las clases de ceniza y el porcentaje de carbn encontrado en stas, depende del proceso realizado en la planta termoelctrica. Las cenizas son granos finos compuestos bsicamente por silicatos, aluminios, cal libre y algunos xidos que permiten una reaccin puzolnica con el suelo reduciendo el ndice de expansin y mejorando la capacidad de soporte. El problema originado por la masiva utilizacin del carbn, en la produccin de energa elctrica se basa en su combustin que origina residuos slidos constituidos mayormente por la materia incombustible presente en este material; este puede representar entre el 6 y el 20% del carbn alimentado a la central termoelctrica.Las cenizas volantes se originan cuando se lleva a cabo el proceso de combustin del carbn pulverizado, utilizado como combustible, en las centrales trmicas.

Se define a la ceniza volante mediante la norma ASTM C593-95 como el residuo finamente dividido que resulta de la combustin de carbn en polvo que es transportado desde la caldera por los gases de combustin.1.1.2 Clasificacin

De acuerdo con la norma ASTM C618, las cenizas volantes se pueden clasificar en dos tipos principales, la clase C de ceniza volante y la clase F. Esta clasificacin depende principalmente de los porcentajes de slice (SiO2), almina (Al2O3), y oxido frrico (Fe2O3). Los requerimientos qumicos de ambas clases de Cenizas Volantes se muestran en la Tabla 3.1. Las cenizas volantes de clase C se produce normalmente de lignito o por la combustin del carbn sub-bituminoso. Este tipo de ceniza volante tiene propiedades cementantes y el puzolnico. El trmino cementante significa que el material se endurece en presencia del agua y el trmino puzolnico significa que en presencia de agua, las cenizas volantes reaccionan con el hidrxido de calcio a temperaturas ordinarias, para producir tambin compuestos de cemento. Las cenizas volantes clase F se produce a partir de la combustin del carbn de antracita o bituminoso y se considera que solo tienen propiedades puzolnicas.Cuadro N 1:Requerimientos Qumicos de Ceniza Volante de acuerdo a ASTM C 618Composicin QumicaClase

FC

SiO2 + Al2O3+Fe2O3Min %7050

SO3Max %55

Contenido de HumedadMax %33

Prdida por IgnicinMax %66

Estas dos clases de cenizas volantes (C y F) se consideran los tipos ms comunes de ceniza volante. Sin embargo, como se mencion antes los materiales de ceniza volante tiene una amplia gama de propiedades y caractersticas que dependen de factores tales como tipo de carbn, proceso de combustin, aditivos entre otros. Muchas cenizas volantes no pueden caer dentro de estas dos categoras. 1.1.3 Propiedades de la ceniza volante.

De acuerdo con M.C. Alonso et al. (1995) las cenizas volantes presentan las siguientes propiedades:1. Capacidad reactiva, lo que las hace aptas para mltiples aplicaciones. Otra de sus propiedades es la puzolnica e hidrulica, aunque se necesita de un perodo ms o menos largo de tiempo para que se manifieste su reactividad puzolnica.2. Las cenizas volantes aumentan la trabajabilidad del material en estado plstico, debido a un aumento en la dispersin de las partculas del sistema.3. Las cenizas volantes en los morteros disminuyen las expansiones asociadas a la reaccin rido-lcalis, disminuyendo la prdida por durabilidad.4. Las cenizas volantes incorporadas al cemento mejoran su durabilidad en determinados ambientes sulfatados y de agua de mar. Esto se debe a una mayor impermeabilidad y a la reduccin en el contenido de portlandita. Esto ltimo, inhibe la formacin de etringita expansiva.

1.2.-Arcilla.

1.2.1.- Definicin.

Los suelos arcillosos, debido a su baja capacidad de soporte y mala calidad no siempre cumplen con los requerimientos necesarios para ser empleados en proyecto de pavimentacin. Una alternativa de solucin es mejorar las caractersticas mecnicas del material, estabilizndolo con productos adicionados. Las carreteras que se construyen sobre suelo de baja capacidad de soporte, presentan un elevado costo por su diseo demanda mayores espesores de pavimento. Luego su vida disminuye por problemas de hundimientos o asentamientos. Un problema adicional, en zona de selva, es el nmero de canteras de material granular, que justifican realizar trabajos de estabilizacin de suelos.

2. Objetivo PrincipalHacer el estudio del comportamiento de la ceniza de carbn como material estabilizante de los suelos arcillosos de la subrasante.

3. Objetivos secundarios Estudiar el efecto de la combinacin de la ceniza volante con arcilla. Estudiar las proporciones adecuadas para encontrar el valor ptimo que cumpla con los requerimientos. Realizar ensayos en suelo arcilloso y mezclado con ceniza volante a fin de verificar su comportamiento. Hacer un anlisis comparativo con respecto al sistema tradicional o algn otro.4 . Estabilizacin de Suelo Arcilloso con cenizas de Carbn

Las cenizas combustin en las centrales termoelctricas. La composicin de cada una de las clases de ceniza y el porcentaje de carbn encontrado en estas depende del proceso que se realice en cada una de las plantas de la termoelctrica. Las cenizas son granos finos compuestos bsicamente por silicatos, aluminios, cal libre y algunos xidos que permiten una reaccin puzolnica con el suelo arcilloso que al igual que otras sustancias reduce el ndice de expansin. Una concentracin de 25% de cenizas en el suelo puede resultar muy beneficiosa, afectando la granulometra, floculando los porcentajes de arcillas del suelo y reduciendo el lmite lquido y el ndice plstico del suelo. Las reacciones puzolnicas permiten incrementar la capacidad de soporte de la subrasante y con ello mejorar las estructuras viales en carreteras. El primero es que la resistencia del suelo aumenta como resultado de la cementacin producida a partir de la hidratacin de aluminato triclcico presentes en las cenizas volantes. Otro mecanismo es que la cal libre (CaO) en las cenizas volantes reacciona con los minerales de arcilla, causando compresin de la capa de absorcin y la reduccin en la plasticidad. Finalmente, la cal libre que no hace reaccionar con los minerales de arcilla se encuentra disponible para el proceso de cementacin adicional a travs de la reaccin puzolnico con los compuestos de slice y almina. Cuando las cenizas volantes se mezclan con el suelo arcilloso, las caractersticas de compactacin (densidad y ptimo contenido de humedad) de los suelos cambian. El proceso de hidratacin se produce durante el contacto entre el suelo, la ceniza y el agua hace que la unin y cementacin generen altos valores de densidad. 5. Capacidad de Soporte de la Subrasante

La determinacin de la capacidad de soporte de los suelos, responde a la realizacin de ensayos sujetos a las recomendaciones de las Normas de uso general. La determinacin del valor de CBR se realiza de acuerdo a las recomendaciones de las referencias en la cual requieren de los resultados del ensayo de Prctor para hallar el CBR a una determinada densidad. A partir de la determinacin del CBR, se evala el mtodo sugerido por el Cuerpo de Ingenieros de la Armada de los Estados Unidos (USACE), que permite determinar la variacin del CBR versus la densidad seca del suelo, permitiendo evaluar las densidades en el campo e ingresar a la grfica para hallar el valor de CBR puntual de una calicata sin asociar la profundidad. Luego del anlisis de todos los valores obtenidos, se debe definir cul es el de diseo y mediante qu mtodo se podr determinar.Se identifican en el manual del MTC cinco categoras de subrasante:S0: SUBRASANTE MUY POBRE CBR < 3%S1: SUBRASANTE POBRE CBR = 3% - 5%S2: SUBRASANTE REGULAR CBR = 6 - 10%S3: SUBRASANTE BUENA CBR = 11 - 19%S4: SUBRASANTE MUY BUENA CBR > 20%6. Ensayos.El programa experimental considera primero hacer ensayos a la muestra en estado natural (arcilla al 100% denominada subrasante) y luego su reaccin con la adicin de la ceniza volante proveniente de la central termoelctrica de Ilo. Se ha considerado adicionar al suelo natural aparte de la ceniza volante, cemento a fin de obtener mejores resultados. Los ensayos de laboratorio de evaluacin de la mezcla han permitido caracterizar mecnicamente a los materiales. Se ha considerado ensayos de CBR y ensayos triaxiales de cargas repetidas de mdulo resilente del material natural y de la mezcla de materiales con ceniza volante y cemento. 6.1. Materiales investigados

Los materiales utilizados en el presente trabajo son: suelo natural (arcilla), cenizas volantes y cemento, as como la combinacin de los mismos en diferentes proporciones. El suelo arcilloso natural se obtuvo en el talud del km. 132, lado derecho de la carretera Villarica - Puerto Bermdez, correspondiente a zona de selva central, ubicada en la provincia de Oxapampa y departamento de Pasco, Mientras que la ceniza volante se trajo de la Central Termoelctrica de Ilo 21, ubicado en Moquegua. 6.1. Mezcla de Suelo Arcilloso y Ceniza Volante

6.2. Ensayos de Laboratorio a realizar

Las muestras representativas de arcilla, ceniza volante y la mezcla adicionando cemento fueron sometidas a los ensayos siguientes:

Los ensayos de laboratorio fueron realizados en el Laboratorio N2 Mecnica de Suelos de la Universidad Nacional de Ingeniera, de acuerdo a Normas ASTM.

7. Anlisis de resultados

Figura 7.01 Curva granulomtrica de Suelo arcilloso y mezcla con ceniza volante

Tabla 7.1 Resultados de Ensayos de Anlisis Granulomtricos

Tabla 7.2 Resultados de Lmites de Consistencia.

Tabla 7.3 Resultados de Ensayos de Gravedad Especfica de Slidos

Tabla 7.4 Clasificacin de suelos y mezclas.

Tabla 7.5 Resultados de ensayos de Compactacin de materiales de este estudio

Figura 7.6 Curvas de compactacin de suelo, ceniza volante y mezclas

7.1 Incremento en Ensayo de Resistencia CBR

Los valores de expansin del ensayo de CBR son presentados en la Tabla5.1.1 en los que se muestran los materiales y/o mezclas realizadas

Tabla 7.1.1 Resultados de ensayos de Compactacin de materiales de este estudio entre suelo arcilloso y ceniza volante

Figura 7.1.2 Grfico de Curvas para determinar el Espesor de la capa de Revestimiento Granular

Tabla 5.19 Resultados de Espesores de pavimento con diferentes contenidos de Ceniza

8. Resultados.

Los resultados permiten concluir que el suelo estudiado tipo CH/A-7-6 (14) es arcilla inorgnica de alta plasticidad, por lo que este material no es recomendable para el uso como subrasante en pavimentos. Los resultados obtenidos en el presente estudio se muestran satisfactorios y cumplen con los objetivos inciales propuestos con relacin al propsito de la presente investigacin y a la combinacin suelo arcilloso y ceniza volante. 9. Conclusiones. Las cenizas volantes funcionan como aditivo inhibidor de las propiedades expansivas del material, pero este requiere ser adicionado en porcentajes excesivos, al menos en el caso de una arcilla expansiva, en promedio mayor a 20%.

La ceniza volante es un material que es desechado en las centrales trmicas, por lo que no cuesta. En zonas de selva donde las canteras son escasas es posible realizar la estabilizacin con este material. La estabilizacin con cenizas volantes puede resultar factible bajo ciertas condiciones (distancia de canteras, disponibilidades de materiales, distancia a la central trmica, tipo de suelo, etc.) La adicin de ceniza volante en la muestra de arcilla disminuye los efectos de expansin, disminuye la gravedad especfica y la plasticidad y humedad de la arcilla.

REFERENCIAS.1. AMERICAN COAL ASH ASSOCIATION (ACAA) Fly Ash Facts for Highway Engineers. Edio 4.2003.2. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, D 5239-98. Standard Practice for Characterizing Fly Ash Use in Soil Stabilization. Estados Unidos. 1998.3. BENTO, P. F., Uso de cal e fibras na melhoria de materiais para utilizao em estruturas de pavimentos. Dissertao de M.Sc. Departamento de Engenharia Civil. Universidade de Braslia, UnB. 2006.4. FARIAS, Edney Rodrigues de. A utilizao de misturas solo/cinza pesada na pavimentao - anlise de aspectos de comportamento mecnico e ambiental. Dissertao de MSc., UFSC, Santa Catarina, SC, Brasil. 2005.