estabilizaciÓn de suelos con cenizas
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ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CENIZAS
ESTABILIZACIÓN DE SUELOS CON CENIZAS
Prof. Adj. Leonardo Behak
Curso de Actualización Profesional2019
CenizasEstabilización de Suelos con Cenizas
Prof. Adj. Leonardo Behak 2
Minerales resultantes de combustión completa de diferentes materiales, compuesto por sustancias inorgánicas no combustibles
Naturales Minerales
Biomasa
Residuo de bajo costo cuyo uso tiene
beneficios ambientales
Composición de las Cenizas
Estabilización de Suelos con Cenizas
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Mineral (%)Cáscara de
Arroz1,2
Bagazo de Caña3
Volcánica Madera
Sílice (SiO2) 93,15 87,2 88,2 59,5 36,4
Alumina (Al2O3) 0,21 0,15 2,3 17,8 9,0
Óxido de Calcio (CaO) 0,41 0,55 0,6 6,3 23,8
Magnesia (MgO) 0,45 0,35 0,4 2,5 3,5
Óxido de Sodio (Na2O) --- 1,12 0,1 --- 1,5
Potasio (K2O) 2,31 3,60 1,3 3,3 6,7
Óxido de Hierro (Fe2O3) 0,21 0,16 5,1 6,9 6,4
Óxido Fosfórico (P2O5) --- --- 0,4 --- 1,91Basha et al. (2003); 2Rodríguez (2002); 3Sales & Lima (2010); 4Hossain & Mol (2011); 5Berra et al. (2015)
Puzolana (ASTM C125)
Estabilización de Suelos con Cenizas
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Material silicoso y/o aluminoso que por sí solo posee poca o ninguna
capacidad de cementación, aunque en forma finamente dividida y en presencia de agua reacciona
químicamente con hidróxidos alcalinos y alcalinos terrosos para
formar o contribuir a la formación de compuestos cementantes
Cenizas de Origen Mineral (Carbón)Estabilización de Suelos con Cenizas
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ASTM C618Clase F: No tienen capacidad de cementación
Clase C: Tiene capacidad de cementación
Ceniza Volante (Fly Ash): Transportada de zona de combustión a sistema de eliminación de partículas
ASTM C125
Ceniza de Fondo (Bottom Ash): Porción más pesada que se asienta en el piso de las calderas
Reacciones Puzolánicas
( )
( ) CAHOAlOH2Ca
CSHSiOOH2Ca
32
2
→++
→++
−++
−++
CSH: Silicato de Calcio HidratadoCAH: Aluminato de Calcio HidratadoCASH: Sílco-Aluminato de Calcio Hidratado
Estabilización de Suelos con Cenizas
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Materiales con hidróxidos alcalinos y alcalinos terrosos: Cal, Cemento Portland
Suelos Apropiados para Estabilizar con Cenizas
Estabilización de Suelos con Cenizas
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Suelos con pocos minerales arcillosos
Arenas
Limos
Arenas Limosas o Limos Arenosos
Suelos que exigen altos porcentajes de cemento
Arenas Finas o de Dunas
Estabilización de Suelos con Cenizas
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Cenizas de BiomasaCeniza de Cáscara de Arroz (CCA)
Ceniza de Bagazo de Caña de Azúcar (CBCA)
Ceniza de Madera (CM)
Contenido de Orgánico
Estabilización de Suelos con Cenizas
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Reactividad Alcalina de Cenizas de Biomasa
Estructura MineralógicaCristalina
Amorfa
• Tipo de ceniza apropiada para reacciones puzolánicas es la amorfa y no la cristalizada (Boateng y Skeete, 1990)
Estructura de Sílice y Alúmina
• Retarda reacciones• Afecta aumento de resistencia
Clasificación de CCA (Houston, 1972)
Colores se asocian con grado de evolución de proceso de combustión y con transformaciones estructurales de la sílice en la
ceniza (Boateng y Skeete, 1990)
Estabilización de Suelos con Cenizas
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Ceniza de bajo contenido de carbón (gris)
Ceniza libre de carbón (rosada o blanca)
Ceniza con alto contenido de carbón (negra)
Determinación Cualitativa de CristalinidadEstabilización de Suelos con Cenizas
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Cr
C Cr Cr
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
2θ (grados)
Inte
nsid
ad (
u.a.
)
Cristalina
Amorfa
Difractometría de Rayos X
Cr: Cristobalita; C: Carbón
Ceniza de Cáscara de Arroz (Arrozur, Villa Sara)
Contenido de OrgánicoEstabilización de Suelos con Cenizas
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Ensayo de Pérdidas por Ignición (ASTM D7348)
Pérdida de masa de muestra sometida a combustión en horno a 550ºC por 3 h
Ceniza LOI (%)
CCA Arrozur 18,6
CCA Galofer 15,0
CCA Arrozal 33 34,1
CCA Demelfor 38,8
CBCA Alur 71,4
Determinación Cuantitativa de Reactividad AlcalinaEstabilización de Suelos con Cenizas
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Índice de Actividad de Sílice (IAS)(Mehta, 1979)
Porcentaje de sílice disponible que se disuelve en un exceso de 0,5M de hidróxido de sodio (NaOH) en un período de extracción de
3 minutos
Deshmukh et al. (2011)
Factores que Afectan Reactividad de Cenizas
• Temperatura de Quema
• Tiempo de Quema
• Tiempo de Enfriamiento
• Modo de Quema
Estabilización de Suelos con Cenizas
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Temperatura de Quema
Estabilización de Suelos con Cenizas
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Ceniza de Cáscara de Arroz de Arrozur (Behak, 2007)
T = 500 ºC T = 650 ºC
T = 800 ºC T = 900 ºC
Temperatura de Quema
Estabilización de Suelos con Cenizas
Prof. Adj. Leonardo Behak 16
0
1
23
4
5
67
8
9
400 500 600 700 800 900 1000Temperatura (°C)
LO
I (%
)
Ceniza de Cáscara de Arroz de Arrozur (Behak, 2007)
Pérdidas por Ignición (LOI) a 1000 ºC
Petry & Glazier (2015)LOI < 6%
Temperatura de Quema
Estabilización de Suelos con Cenizas
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Ceniza de Cáscara de Arroz de Arrozur (Behak, 2007)
DRX
0
100
200
300
400
500
600
700
800
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
2θ (grados)
Inte
nsid
ad (
a.u.
)
T=500ºC
T=650ºC
T=800ºC
T=900ºC
Temperatura de Quema
Behak (2007)
• Temperaturas < 650ºC dejan remanente de orgánico no admisible
• Temperaturas > 800ºC producen formas cristalinas no deseables
• Temperaturas de quema de cáscara de arroz entre 650°C y 800ºC producen CCA de máxima reactividad alcalina
Estabilización de Suelos con Cenizas
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Temperatura de Quema
Estabilización de Suelos con Cenizas
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Boateng y Skeete (1990)
• Quema de cáscara de arroz entre 550°C y 700ºC generalmente produce sílice amorfa
• Temperaturas > 900ºC producen formas cristalinas no deseables
• CCA con remanente de orgánico < 3% quemando a temperatura controlada de 800ºC (Rahman, 1986)
Tiempo de QuemaEstabilización de Suelos con Cenizas
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• Mehta (1979): Sílice esencialmente amorfa con T < 500 ºC durante período prolongado o hasta 680 ºC con t < 1 min
• Yeoh et al. (1979): CCA amorfa a T hasta 900 ºC si t < 1h, y sílice cristalina se produce a 1000 ºC con t > 5 min
• Smith y Kamwanja (1986): Sílice cristalina en pequeñas proporciones para T < 800ºC mantenidas durante 12 h
• Nair et al. (2008): T de 500 ºC y 700 ºC y t de más de 12 h favorecen producción de CCA reactivas
Modo de Quema
• Tecnología de producción varía desde quema a cielo abierto hasta incineradores especialmente proyectados (Mehta, 1979)
• Incineración a cielo abierto produce cenizas de baja reactividad por altos gradientes de temperatura y formación de sílice cristalina (Boateng y Skeete, 1990)
• Incineración a cielo abierto o en hornos convencionales produce ceniza cristalina (Mehta, 1975)
• Incineración en hornos a temperatura controlada produce ceniza blanca altamente reactiva que mezclada con cal se transforma en un cemento tan bueno como el cemento Portland (Mehta, 1975)
Estabilización de Suelos con Cenizas
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Modo de Quema
Estabilización de Suelos con Cenizas
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Tipo Ceniza LOI (%)
No Controlada
CCA Arrozur 16,8
CCA Galofer 15,0
CCA Arrozal 33 34,1
CCA Demelfor 38,8
CBCA Alur 71,4
ControladaCCA Arrozur650 4,1
CCA Arrozur800 2,3
Behak (2017); Behak et al. (2015)
Modo de Quema
Estabilización de Suelos con Cenizas
Prof. Adj. Leonardo Behak 23
Cr
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
2θ (grados)
Inte
nsid
ad (
u.a.
)
CCA
CCA650
CCA800
Ceniza de Cáscara de Arroz de Arrozur (Behak, 2007)
Método de Dosificación
• Moldear probetas de suelo tratado con diferentes contenidos de ceniza
• Curar probetas durante 48h a temperatura de 48,9ºC o durante 28 días en cámara húmeda a temperatura de 22,8ºC.
• Ensayar probetas a compresión inconfinada
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Estabilización de Suelos con Cenizas
Método de RCI (Thompson, 1966)
Compactación
CCAs (Behak, 2017)
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Estabilización de Suelos con Cenizas
PB (SW-SM)
PB-20CCAA-10C
A (SP-SM)
A-20CCAD-5C
VP (SP)
VP-20CCAG-3CV
VP-20CCAG-5CV
11,011,512,0
12,513,013,514,014,515,0
15,516,016,517,017,5
18,018,519,0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Humedad (%)
PU
S (
kN/m
3)
Efectos de la Estabilización con Ceniza
PB: Pérez Bustos; A: Arenisca Tacuarembó; VP: Villa Passano
A: Arrozur; D: Demelfor; G: Galofer
CompactaciónCCAs (Behak, 2017)
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Estabilización de Suelos con Cenizas
Efectos de la Estabilización con Ceniza
V (SM)
V-15CCA33-3CV
V-20CCA33-3CV
V-20CCA33-5CV
12,0
13,0
14,0
15,0
16,0
17,0
18,0
19,0
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Humedad (%)
PU
S (
kN/m
3)
V: Vergara 33: Arrozal 33
CompactaciónCBCA (Behak et al., 2015)
Prof. Adj. Leonardo Behak 27
Estabilización de Suelos con Cenizas
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
16,5
17,0
17,5
18,0
18,5
19,0
19,5
20,0
20,5
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Humedad (%)
PU
S (
kN/m
3)
Franquía (GM)
Franquía-15%CBCA-5%Cal
Franquía-20%CBCA-5%Cal
Efectos de la Estabilización con Ceniza
0
50
100
150
200
250
300
0 1 2 3 4 5 6
q (k
Pa)
ε (%)
Suelo
Suelo-15CCA-5Cal
Suelo-20CCA-5Cal
Suelo-20CCA-10Cal
Comportamiento Tensión-Deformación
Prof. Adj. Leonardo Behak 28
Estabilización de Suelos con Cenizas
28 días
Suelo de Cantera Pérez Busto (SW-SM)-CCA de Arrozur-Cal(Behak, 2007)
Efectos de la Estabilización con Ceniza
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6
q (k
Pa)
ε (%)
Suelo
Suelo-15CCA-5Cal
Suelo-15CCA650-5Cal
Suelo-15CCA800-5Cal
Prof. Adj. Leonardo Behak 29
Estabilización de Suelos con Cenizas
Comportamiento Tensión-DeformaciónEfectos de la Estabilización con Ceniza
Suelo de Cantera Pérez Busto (SW-SM)-CCA de Arrozur-Cal(Behak, 2007)
28 días
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 1 2 3 4 5 6
q (k
Pa)
ε (%)
Suelo
Suelo-15CCA-5Cal-7 días
Suelo-15CCA-5Cal-14 días
Suelo-15CCA-5Cal-28 días
Suelo-15CCA-5Cal-56 días
Prof. Adj. Leonardo Behak 30
Estabilización de Suelos con Cenizas
Efectos de la Estabilización con CenizaComportamiento Tensión-Deformación
Suelo de Cantera Pérez Busto (SW-SM)-CCA de Arrozur-Cal(Behak, 2007)
Arenisca-CCAG-3%C
Arenisca-CCAG-5%C
Vergara-CCA33-3%CV
Vergara-CCA33-5%CV
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25 30
RC
I (k
Pa)
CCA (%)
Resistencia a la Compresión Inconfinada (RCI)
Relación con el Contenido de Ceniza (Behak, 2017)
Prof. Adj. Leonardo Behak 31
Estabilización de Suelos con Cenizas
Efectos de la Estabilización con Ceniza
Arenisca (SP-SM); Vergara (SM)
28 días
RCIRelación con el Contenido de Ceniza (Behak et al., 2015)
Prof. Adj. Leonardo Behak 32
Estabilización de Suelos con Cenizas
Efectos de la Estabilización con Ceniza
Franquía (GM)
28 días
Suelo-15CCA-5C
Suelo-20CCA-5C
Suelo-20CCA-10C
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 7 14 21 28 35 42 49 56
RC
I (k
Pa)
Tiempo (días)
Relación con el Tiempo
Prof. Adj. Leonardo Behak 33
RCI
Estabilización de Suelos con Cenizas
Efectos de la Estabilización con Ceniza
Suelo de Cantera Pérez Busto (SW-SM)-CCA de Arrozur-Cal(Behak, 2007)
Relación con Reactividad de Ceniza
Prof. Adj. Leonardo Behak 34
RCI
Estabilización de Suelos con Cenizas
Efectos de la Estabilización con Ceniza
Suelo Pérez Busto (SW-SM)-CCA Arrozur-Cal (28 días)(Behak, 2007)
MATERIAL RCI (kPa)
Suelo 14
Suelo-15CCA-5C 118
Suelo-20CCA-5C 181
Suelo-20CCA-10C 247
Suelo-15CCA650-5C 570
Suelo-15CCA800-5C 504
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 7 14 21 28 35 42 49 56 63
RT
(kP
a)
Tiempo (días)
Suelo-15CCA-5Cal
Suelo-20CCA-5Cal
Suelo-20CCA-10Cal
Resistencia a la Tracción
Prof. Adj. Leonardo Behak 35
Dependencia con Contenido de Ceniza y Tiempo
Estabilización de Suelos con Cenizas
Efectos de la Estabilización con Ceniza
Suelo Pérez Busto-CCA Arrozur-Cal (Behak, 2007)
Durabilidad
Prof. Adj. Leonardo Behak 36
Estabilización de Suelos con Cenizas
Humedecimiento y SecadoMétodo de Iowa (Hoover et al., 1958)
Efectos de la Estabilización con Ceniza
Suelo Pérez Busto-CCA Arrozur-Cal (Behak, 2007)
MATERIALRCI (kPa) Qr
(%)Sin Ciclos Con Ciclos
Suelo-15CCA-5Cal 210 134 64
Suelo-20CCA-5Cal 197 141 72
Suelo-20CCA-10Cal 364 279 77
Qr < 80% (Marcon, 1977)
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