estabilizaciÓn de suelos con cenizas

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


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)



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


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



Materiales con hidróxidos alcalinos y alcalinos terrosos: Cal, Cemento Portland

Suelos Apropiados para Estabilizar con Cenizas



Suelos con pocos minerales arcillosos

Arenas

Limos

Arenas Limosas o Limos Arenosos

Suelos que exigen altos porcentajes de cemento

Arenas Finas o de Dunas



Cenizas de BiomasaCeniza de Cáscara de Arroz (CCA)

Ceniza de Bagazo de Caña de Azúcar (CBCA)

Ceniza de Madera (CM)

Contenido de Orgánico



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)



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


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


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


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



Temperatura de Quema



Ceniza de Cáscara de Arroz de Arrozur (Behak, 2007)

T = 500 ºC T = 650 ºC

T = 800 ºC T = 900 ºC




0

1

23

4

5

67

8

9

400 500 600 700 800 900 1000Temperatura (°C)

LO

I (%

)


Pérdidas por Ignición (LOI) a 1000 ºC

Petry & Glazier (2015)LOI < 6%





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


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






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


• 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)



Modo de Quema



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



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


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



Método de RCI (Thompson, 1966)

Compactación

CCAs (Behak, 2017)



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)




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)



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


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



28 días

Suelo de Cantera Pérez Busto (SW-SM)-CCA de Arrozur-Cal(Behak, 2007)


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



Comportamiento Tensión-DeformaciónEfectos de la Estabilización con Ceniza


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






Efectos de la Estabilización con CenizaComportamiento Tensión-Deformación


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)




Arenisca (SP-SM); Vergara (SM)

28 días

RCIRelación con el Contenido de Ceniza (Behak et al., 2015)




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


RCI




Relación con Reactividad de Ceniza


RCI



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


Dependencia con Contenido de Ceniza y Tiempo



Suelo Pérez Busto-CCA Arrozur-Cal (Behak, 2007)

Durabilidad



Humedecimiento y SecadoMétodo de Iowa (Hoover et al., 1958)


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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