ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CENIZAS VOLANTES

GEOTÉCNIA APLICADA II

SIMÓN ORLANDO SILVA MARTINEZANDRÉS DAVID FLOREZ TORRESJHON ALEXANDER RODRIGUEZ

GENERALIDADESComo alternativa a la producción de energía eléctrica, se desarrolla en el país la construcción de termoeléctricas, las cuales sustentas su generación a partir del consumo masivo de carbón mineral. Producto de este proceso industrial surgen las cenizas volantes, las cuales crean inconvenientes de tipo ambiental por su contaminación en la disposición final.Al incorporar cenizas volantes a los materiales granulares, ya que en estos su mezcla con oxido de calcio reacciona químicamente, desatando el poder de aglomerar las partículas, lo cual permite que esta mezcla sea utilizada con éxito en obras civiles en especial en carreteras

Las cenizas volantes se caracterizan por su bajo contenido de cal y alto contenido de sílice, por lo que su utilización como estabilizador de suelos requiere la adición de un agente activador rico en cal. El agente activador provee la cal necesaria para que se produzca la reacción puzolánica, mientras que la ceniza provee los compuestos puzolánicos, sílice y alúmina. Es así como las mezclas cal - ceniza volante pueden ser usadas para estabilizar suelos gruesos o suelos finos no arcillosos. Normalmente se utiliza cal o cemento como agente activador. Desde hace ya un buen tiempo se viene investigando en nuevos materiales que puedan ser empleados para los diferentes procesos constructivos.

En México así como en otros países se ha venido utilizando ya desde los años 80 un producto obtenido de las plantas carbo-eléctricas llamado Cenizas Volantes. Estas cenizas no son un producto final, sino un subproducto que genera una alternativa viable en la solución de deficiencias naturales del suelo

CENIZAS VOLANTESSon residuos finos vitrificados y esféricos procedentes de la combustión de carbón a muy altas temperaturas; se conoce como derivado de combustión. Muchas de sus partículas son esferas huecas solidad de silicato fundidos, óxidos de hierro y sílice en adición a partículas de carbón no quemadas, las cuales son de forma irregular debido principalmente a una combustión incompleta del carbón.

ORIGEN

En este proceso se usa como combustible principal el carbón térmico y combustóleo y la ceniza de este carbón es arrastrada mediante gases de combustión por lo que se denomina "ceniza volante". Esta ceniza es muy ligera y se encuentra en un 80% de la ceniza de carbón, mientras que al 20% restante se le conoce como "ceniza de fondo".

UTILIDADES En el caso de una carretera las cenizas

volantes se pueden usar de distintas maneras, como por ejemplo de sub-base, base, mezcla asfáltica o concreto hidráulico, en Francia por ejemplo utilizan la mezcla grava-ceniza-cal, para la construcción de terraplenes (terracerías).

Fabricación de cemento portland Aditivos para concreto (se puede sustituir entre un 10 a 20% del cemento) Aditivos asfalticos, Relleno y nivelación de terrenos, Fabricación de ladrillos, bloques, tabiques, mosaicos, azulejos, etc. Estabilizante de basuras industriales Agregado para fertilizantes Tratamientos de aguas, Estabilización de suelos, Concreto Ecológico, entre otros usos.

Como se puede apreciar el uso de estas cenizas es muy amplia y valdría la pena investigar más sobre este material e implementarlo en los procesos productivos, definitivamente que se obtendrá un buen ahorro económico.

ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CAL Y CENIZA VOLANTE

• La cal sola reacciona con suelos cuyo índice plástico sea cuando menos de 10. Si el suelo no es suficientemente reactivo, la cal sólo es efectiva si se combina con una fuente adicional de sílice y alúmina (puzolana), en presencia de agua

• La puzolana más utilizada es la ceniza volante (flyash) que es el residuo finamente dividido que resulta de la combustión del carbón mineral en las plantas termoeléctricas

SUELOS ADECUADOS PARAESTABILIZACIÓN CON CAL Y CENIZA

• Las estabilizaciones con cal y ceniza han demostrado ser eficientes y económicas en el mejoramiento de suelos que no presenten propiedades puzólanicas (materiales granulares)

• Dado que dichos suelos tienen una estructura mineral importante, las resistencias de las mezclas suelo granular - cal -ceniza son mucho mayores que las de las mezclas de suelo fino con cal, lo que permite una aplicación estructural más importante en la construcción vial.

EFECTOS DEL TRATAMIENTO DE UN AGREGADOPÉTREO CON CAL Y CENIZA

Resistencia a compresión y flexión

• Mezclas adecuadamente diseñadas pueden presentar resistencias entre 500 y 1,000 psi luego de 7 días de curado a 38º C y valores superiores a 1,500 luego de un año de servicio

• La relación entre las resistencias flexión y compresión sigue las leyes típicas de las mezclas con estabilizantes hidráulicos. En general se encuentran entre 0.15 y 0.25, considerándose 0.20 como un promedio aceptable

Efecto de la cal y la cal + ceniza sobre la resistencia a compresión inconfinada de un suelo cohesivo

EFECTOS DEL TRATAMIENTO DE UN AGREGADO PÉTREO CON CAL Y CENIZA

Cicatrización autógena• Un beneficio característico de las mezclas suelo

Cal-ceniza es su capacidad de re-cementarse a través de las grietas, por un mecanismo auto regenerativo

• Debido a ello, estas mezclas son menos susceptibles al deterioro bajo carga repetida y más resistentes a los efectos ambientales, que las mezclas que no poseen esta propiedad

DISEÑO DE MEZCLAS SUELO -CAL -CENIZA La FHWA recomienda el siguiente procedimiento de

laboratorio para determinar las proporciones de la mezcla:

1. Mezclar los agregados con 5 proporciones diferentes de ceniza, entre 10 % y 20 % , añadir una cantidad estimada de humedad óptima y determinar la densidad de las cinco muestras luego de compactarlas con la energía del ensayo AASHTO T 180 (INV E-142)

2. Dibujar una curva contenido de ceniza vs densidad e identificar el valor pico de densidad.

3. Elegir un contenido de matriz cuando menos 2% por encima del que dio lugar a la máxima densidad y realizar un ensayo de compactación AASHTO T180 (INV E-142) para esa mezcla, determinando la humedad óptima y la densidad máxima

4. Realizar 5 combinaciones suelo - ceniza - cal que den lugar al contenido de matriz elegido en el punto anterior. Las cantidades de cal se deben elegir de manera que la relación cal : ceniza esté entre 1:3 y 1:4 (se han encontrado mezclas satisfactorias con relaciones entre 1:2 y 1:7

• 5. Para cada una de las combinaciones, compactar 6 probetas con la energía antes citada y la humedad óptima y curarlas en ambiente húmedo a 38 ºC durante 7 días. Tres de las probetas se destinarán al ensayo de compresión inconfinada y 3 al de durabilidad

• 6. Romper las probetas destinadas al ensayo de compresión y dibujar una curva que relacione la resistencia con el porcentaje de cal añadido. Se consideran aceptables para la construcción de capas de base, valores de resistencia de cuando menos 2,760 kPa (400 psi)

CONCLUSIONES• Los resultados de la consulta permite concluir

que es posible utilizar las ceniza volantes para estabilizar suelos finos plásticos.

• Se considera que su uso puede mejorar el comportamiento de capas de suelo, en particular del suelo de subrasante.

• El uso de ceniza volante permite incrementar la capacidad de soporte de la subrasante y con ello mejorar el desempeño de las diferentes capas estructurales que componen las vías

• Permite mejorar la susceptibilidad a la humedad de los suelos, especialmente suelos finos de menor plasticidad o menor contenido de arcilla.

• Se presenta como alternativa en estabilización de suelos y solución en procesos constructivos especialmente en vías.

GRACIAS