4. Research design
4.3 Covariates
4.3.2 Control variables
En este capítulo se presentan e interpretan los resultados obtenidos de los ensayos en el laboratorio respecto a la caracterización del suelo, así como la adición de ceniza del bagazo de caña activada alcalinamente.
A. Evaluación del estrato N° 01 y N° 02
En el estrato N°01 (0 - 0.40m) se encontró materia orgánica con restos de sembríos por lo tanto no se realizó los análisis correspondientes.
En el estrato N°02 (0.40m – 2.00m) se encontró presencia de material arcilloso de baja plasticidad.
En la tabla IV.1 se presenta los resultados de los ensayos de contenido de humedad, límites de Atterberg y granulometría del estrato N°02.
Tabla IV.1.Resumen de Ensayos de E N°02
De acuerdo a la clasificación SUCS el suelo es de tipo CL arcilla de baja plasticidad: suelo de grano finos (limos y arcillas).
Según la figura IV.1 muestra que su granulometría no está dentro de los rangos de licuación debido a la presencia de un elevado porcentaje de materiales finos (arcilla y limos), en la parte izquierda de la figura aportando de esta manera cohesión a la los depósitos arenosos y produciendo estructuras más densas, lo cual reduce la tendencia a la contracción y al incremento de la presión de poro en caso de carga sísmica, la Asociación Costarricense de Geotecnia (2009) propone los rangos de licuación de acuerdo con su granulometría. Según este criterio, los suelos con tamaño promedio de partículas entre 0.075mm (malla N°200) y 0.85mm (malla N°20) son los más susceptibles. Adicionalmente para materiales con tamaños promedios entre 0.02mm y 0.075mm (límite izquierdo en la figura) y 0.85mm y 2.0mm (límite derecho) son también fácilmente licuables. N° 4 N° 40 N° 200 15.6 34.3 23.4 10.9 99 92 86 CL Contenido de humedad (%)
Límites de consistencia Granulometría líquido
(%) plástico (%) (%)I.P % que pasa
Clasificación SUCS
51
Figura IV.1.Límites granulométricos para licuación E N°02
“Cuando contenido de finos excede cierto porcentaje (aproximadamente 30%), el comportamiento del suelo es completamente gobernado por el contacto entre finos” (Chu y Leong, 2002), es decir no son susceptibles a licuación.
Según Kramer y Stewart (2008) en la tabla IV.2 se presentan los criterios principales de susceptibilidad a la licuación de suelos.
Tabla IV.2.Resultados de criterios de licuación E N°02
Torres (2016) en su investigación “Análisis del comportamiento de licuación por flujo de arena del depósito cuaternario de Paipa (Boyacá)” estudió una arena con contenido de finos de aproximadamente 30% mediante ensayos triaxiales consolidados no drenados en el cual el potencial de licuación disminuyó debido al alto contenido de finos.
Por lo tanto, el estrato N°02 no es potencialmente licuable ya que no cumple con los criterios establecidos.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 Pa sa (% ) Tamiz (mm)
Curva Granulométrica Fácilmente Licuable Muy Fácilmente Licuable
N°200 N°140 N°60 N°40 N°20 N°10 N°4
Criterio Estrato N°02
Índice de plasticidad < 10 IP=10.9% Fracción de arcilla ≤ 15% 29%
Límite líquido ≤ 35% 34.30%
Humedad ≥ 0.9 Límite líquido w=15.6% < 30.87 %
La cohesión impide la licuación en
esta zona
Muy fácilmente licuable
Fácilmente licuable
52
B. Evaluación del nivel de licuación del estrato N° 03
El suelo presenta una densidad relativa de 43% por lo que según la tabla IV.3 el estado correspondiente del suelo es medianamente denso.
Tabla IV.3.Densidades relativas de los suelos. (Norma ASTM D2049)
Según INDECI y UNT (2002) en su investigación “Mapas de peligros sísmicos de la ciudad de Trujillo y zonas aledañas” determinó que la densidad relativa del suelo del distrito de Víctor Larco es medianamente denso, lo que corrobora los resultados obtenidos en nuestra investigación, el cual es más propenso a sufrir licuación.
Según Henriquez (2007) una arena suelta es más susceptible de licuarse que una arena densa. En sismos previos, se han licuado suelos cuya densidad relativa era del orden del 50 % o menor (indicativa de alta susceptibilidad a cambios de volumen). Por el contrario, en arenas con una compacidad relativa del orden del 70 % o mayor, no se produjo este fenómeno, el cual se muestra en la figura IV.2.
Figura IV.2.Densidad relativa para licuación. (Henriquez, 2007)
El estado inicial de un suelo se define en función de su densidad y esfuerzo efectivo. Para un esfuerzo efectivo dado (una profundidad dada), suelos con densidades bajas son más susceptibles a licuación. Asimismo, para una
Estado del suelo Densidad relativa
Muy suelto 0-15
Suelto 15-35
Medio 35-65
Denso 65-85
53
densidad dada, suelos que se encuentran bajo un mayor esfuerzo efectivo (más profundos) usualmente son más susceptibles a la licuación que los suelos bajo menor esfuerzo (más superficiales) (Brandes, 2007).
El estrato N°03 es susceptible a licuación debido a su baja densidad relativa es decir que presentó menor fuerzas de contacto entre sus partículas, en comparación con el estrato N° 02 que presento una densidad relativa del 65% en la cual no es susceptible a licuación debido a la cohesión generada por el mayor contenido de partículas finas presentes en el suelo.
En la tabla IV.4 se presenta los resultados de los ensayos de contenido de humedad, límites de Atterberg y granulometría del estrato 03 (2.00 m a 3.00m) del cual se optó analizar debido se encontró la napa freática a los 2.40 m, siendo un criterio principal en la susceptibilidad a la licuación de suelos por lo que regirá la condición de saturación y, por lo tanto, influirá también en el esfuerzo efectivo debido al incremento de la presión de poros a causa de la incidencia de ondas sísmicas, como lo sucedido en terremotos que bordearon los 7 a 8 grados en escala de Richter en México y en Pisco.
Tabla IV.4.Resumen de Ensayos de E N°03
De acuerdo a la clasificación SUCS el suelo es de tipo SM arena limosa de baja plasticidad con bajos porcentajes de finos, de acuerdo a los límites de Atterberg se cumple que el IP <4.
La Asociación Costarricense Geotecnia (2009) en su Código de Cimentaciones de Costa Rica (C.C.C.R.), presenta los límites granulométricos para determinar la susceptibilidad de licuación, donde la curva granulométrica se observa en la figura IV.3.
N° 4 N° 40 N° 200 25.6 23.8 21.3 2.6 99 49 25 SM Clasificación SUCS Granulometría líquido (%) plástico (%) (%)I.P Contenido de humedad (%) % que pasa Límites de consistencia
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Figura IV.3.Límites granulométricos para licuación E N°03
La curva granulométrica del suelo se encuentra dentro de los límites establecidos para suelos potencialmente licuables.
Se ha demostrado experimentalmente que la presencia de porcentajes pequeños de arcilla y limos dentro de la masa arenosa tiene efecto sobre la licuación. Promueve la formación de estructuras más sueltas pues su presencia disminuye los contactos intergranulares y existe mayor generación de presión de poro bajo condiciones no drenadas, aumentando el potencial de licuación (Ovando, 2007).
Según Kramer y Stewart (2008) la susceptibilidad de licuación de un suelo puede ser evaluada usando los siguientes criterios como se muestran en la Tabla IV.5.
Tabla IV.5.Resultados de criterios de licuación E N°03
Por consiguiente, el suelo de la Urb. El Golf cumple con los criterios establecidos para ser potencialmente licuable. Para el cual deberían de tomarse las medidas necesarias para lograr su estabilización.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 Pa sa (% ) Tamiz (mm)
Curva Granulométrica Fácilmente Licuable Muy Fácilmente Licuable
N°200 N°140 N°60 N°40 N°20 N°10 N°4 La cohesión
impide la licuación en
esta zona
Muy fácilmente licuable
Fácilmente licuable
Arcilla Limos Arenas Gravas
Criterio Estrato N°03
Índice de plasticidad < 10 IP=2.6%
Fracción de arcilla ≤ 15% 2%
Límite líquido ≤ 35% 23.80%
55
C. Evaluación de ceniza de bagazo de caña y activador alcalino
Análisis de difracción de rayos X (DRX)
Se empleó para identificar los principales productos de reacción cristalinos y la amorficidad de la ceniza de bagazo de caña.
Se puede observar en la Figura IV.4 el difractograma de la ceniza de bagazo de caña sin moler, que muestra la presencia de una pequeña cantidad de óxido de silicio (SiO2), seguido por la gismondina (CaAl2
Si2O8·4H2O) y posteriormente de albita NaAlSi3O8, con un área de
dispersión amorfa por debajo de los 600 counts (intensidad).
Figura IV.4.Difractograma de la CBCA sin molienda. (Laboratorio de análisis químicos-UPAO)
Se observa que la ceniza presenta características de poca amorficidad y menores cantidades de óxido de silicio, por lo que presenta baja actividad puzolánica, es decirpor sí misma posee un valor cementante muy pequeño, pero si es que es finamente molida y en presencia de humedad puede reaccionar con algún tipo de activador (NaOH,KOH, etc.) a temperatura ambiente, dando lugar a una nueva formación de compuestos estables, poco solubles en el agua y que poseen características cementantes, es decir capaces de desarrollar resistencia por endurecimiento hidráulico.
Se puede observar en la Figura IV.5 el difractograma de la ceniza de bagazo de caña sometida a reducción de partículas a 45 micras, por medio de un molino de bolas, muestra un halo de intensidad alto de
Óxido de Sílice Albita NaAlSi3O8
56
óxido de silicio (SiO2), que la figura IV.3, además de un área de
dispersión amorfa que llega los 800 counts (intensidad) aproximadamente.
Figura IV.5.Difractograma de la CBCA con molienda. (Laboratorio de análisis químicos-UPAO)
Se observa que la ceniza presenta características de sílice amorfa debido al levantamiento de la línea base entre 20° y 30° (2Ɵ); esta amorficidad le confiere actividad puzolánica a las cenizas (mayor finura de las partículas), que la hacen aptas para reaccionar con hidróxido de sodio y formar así el gel N.A.S.H., según Fernández, García, y Palomo (2007) el difractograma correspondiente a una ceniza de bagazo de caña presenta material vítreo (un halo característico de una fase amorfa entre 15°-35°), estos valores corroboran los obtenidos en nuestro estudio.
Análisis hidrométrico
En la figura IV.6 se presenta la curva del porcentaje que pasa sobre el diámetro de las partículas de la ceniza de bagazo de caña y en la figura IV.7 el porcentaje que pasa sobre el diámetro de las partículas de ceniza volante (CV).
Óxido de Sílice
Albita NaAlSi3O8 Dispersión Amorfa
57
Figura IV.6.Porcentaje que pasa sobre el diámetro de CBCA
Figura IV.7.Porcentaje que pasa sobre el diámetro de CV.
(Torres, 2015)
En lo referente a la activación de los materiales silicoaluminatos (escoria de alto horno y ceniza volante), se sabe que para que la activación transcurra satisfactoriamente, es recomendable que en torno al 80% del material presente un diámetro de partícula igual o inferior a 45 micras. Las fracciones correspondientes a diámetros de partícula superiores reaccionan más lentamente con las disoluciones alcalinas, provocando que la reacción transcurra más lentamente y afectando al rendimiento de la misma, en cambio la ceniza volante es el único material que presenta un menor porcentaje por debajo de las 45 micras, (Fernández, García, y Palomo, 2007), en la investigación de Torres (2015) el porcentaje de ceniza volante de diámetro de partícula de 45
1 10 100 0.001 0.01 0.1 1 % q ue p as a Diámetro de partículas 0.01 0.02 0.041
58
micras que pasa es de 67% (Ver figura IV.7) por debajo del contenido pasante en la CBCA.
De acuerdo a la hidrometría pasó el 100 % de las partículas en la malla N°325 (45µm), empezando a retener partículas a partir del tamaño de 0.0407 mm es decir pasa un 67%, presentando un tamaño mínimo de partícula de 0.0014 mm., donde observamos que la activación de la CBCA se ha desarrollado satisfactoriamente.
Resistencia a la compresión no confinada
En la Figura IV.8 se presenta la gráfica de la resistencia a la compresión de las probetas elaboradas a base de la ceniza de bagazo de caña y el activador alcalino con concentraciones de 8M y 10M, con lo que nos fue posible determinar la mejor concentración de activador alcalino.
Figura IV.8.Resistencia a la compresión no confinada En la figura presentada se puede apreciar que existe un incremento en la resistencia a la compresión para todos los periodos de curado en la disolución de 10 M, esto se debe a que las concentraciones más altas de NaOH proveen altas resistencias.
Los procesos químicos con temperaturas mayores a 80°C juegan un papel muy importante en los valores de solubilidad de los óxidos debido a que podría originar mucha carbonatación, agrietamientos en las probetas y pérdida excesiva de agua, y para temperaturas menores a 80°C no logra la formación adecuada del geopolímero además de disminuir la resistencia mecánica de las pastas (Gónzales, 2012).
180 240 270 210 270 300 0 50 100 150 200 250 300 350 3d 7d 14d R es ist en cia a la co m pr es ió n( K Pa ) Días de curado NaOH 8 M NaOH 10 M
59
Estudios han mostrado que a mayores concentraciones se tendrá como resultado una mayor resistencia, habiendo siempre un límite óptimo, desde el cual se empezará a ver el efecto contrario. La posible razón de esta disminución se debe a que la mezcla superó su punto de saturación y los iones Na+ sin reaccionar en vez de aumentar la fuerza se
convierten en un impedimento para éste (Petermann y Saeed, 2012) Torres (2015) en su investigación “Reutilización de residuos vitreos urbanos e industiales en la fabricación de cementos alcalinos. Activación, comportamiento y durabilidad”, estudió el hidróxido de sodio con ceniza volante a una relación de líquido/ sólidoL/S de 0.3 a 8M y 10M, dando un mejor resultado de 250 KPa a 10M a los 7 días de curado, por lo que los datos obtenidos se asemejan a nuestro estudio con ceniza de bagazo de caña, con lo que se determinó que la solución que aporta mayor resistencia a la compresión es la de NaOH 10 M, con valores de hasta 270 KPa a los 7 días (Ver figura IV.8).
Figura IV.9.Comparación ceniza volante y CBCA
Por lo tanto, la solución NaOH 10 M será la utilizada en la presenta investigación.
D. Evaluación del suelo en estado natural a compresión triaxial no consolidado no drenado
En figura IV.10 se muestra la curva de esfuerzo desviador sobre la deformación axial de la resistencia a la compresión triaxial no consolidado no drenado a presiones de confinamiento de 20 KPa, 40 KPa y 80 KPa para el suelo patrón, donde la mayor resistencia se obtuvo a una presión de
210 240 250 270 0 50 100 150 200 250 300 NaOH 8 M NaOH 10 M Re sis te nc ia a la co m pr es ió n( K Pa ) 7 días de curado
60
40 KPa, con un punto máximo 1347 KPa, seguido por la presión de 20 KPa con 1263 KPa y por último la presión de 80 KPa con 785 KPa.
Figura IV.10.Esfuerzo desviador sobre deformación axial
La resistencia al cortante de suelos se ve afectada por factores muy diversos como el tamaño de las partículas, la densidad y la presión de confinamiento.
Para la elección de las presiones de confinamiento nos basamos en la investigación García (2007), quien sometió a sus muestras a diferentes presiones de consolidación, y obtuvo como resultado para una arena suelta elevadas presiones (p´c=1500KPa), mientras que para presiones intermedias se comporta como una arena medianamente densa y finalmente para bajas presiones de consolidación, el comportamiento es el de una arena densa. Por lo tanto, nos basamos a presiones intermedias por ser una arena medianamente densa.
Como podemos ver en la Figura IV.10, la curva de suelos 20 KPa y 40 KPa tiene un pico de tensión y una pendiente inicial mayor que la curva
0 141 283 424 566 707 848 990 1131 1273 1414 0.000 3.464 6.928 10.391 Es fu er zo d es vi ad or (K Pa ) Deformación unitaria 20 KPa 40 KPa 80 KPa
61
correspondiente a 80 KPa, debido a que mientras mayor sea el esfuerzo desviador con una presión de celda aplicada, supera la tensión crítica de la muestra venciendo las fuerzas de contacto que mantienen unidas a las partículas de arena, haciendo que sufra grandes deformaciones donde la presión hace que disminuya la resistencia al cortante, esto quiere decir que el suelo llega a tener una capacidad de resistencia máxima a una presión de 40 Kpa.
E. Resistencia a la compresión triaxial no consolidado no drenado del suelo patrón y con adición de CBCA activada alcalinamente.
En la figura IV.11 se muestra los valores promedio de la resistencia al corte del ensayo de la resistencia a la compresión triaxial no consolidado no drenado a una presión de 40 KPa, donde se obtuvo que el punto máximo es 1851 KPa al 15% de CBCA activada alcalinamente, a partir de allí se manifiesta un descenso en la resistencia al añadir un 20% de CBCA activada alcalinamente, siendo el más bajo el de 10% de CBCA activada alcalinamente respecto al patrón.
Figura IV.11.Resistencia al corte promedio UU Se muestra que la resistencia al corte tiene un incremento:
Del suelo patrón al 10% CBCA: 31% Del suelo patrón al 15% CBCA: 42% Del suelo patrón al 20% CBCA: 34%
1300 1699 1851 1740 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0% 10% 15% 20% Re sis te nc ia a l c or te (K Pa ) Adiciones de CBCA
62
Se puede observar que de las probetas de ceniza de bagazo de caña activada alcalinamente ensayadas a 28 días de curado experimentaron un incremento en su resistencia al corte llegando a un límite óptimo que es el 15%, ya que el contenido relativo de sílice afecta más desde el punto de vista químico, es decir la sílice altamente reactiva en las cenizas aumenta la posibilidad de formación del gel de Silicoaluminato Alcalino Hidratado
(N-A-S-H) generando una estructura más amorfa el cual proporciona una mayor resistencia mecánica, en cambio al añadir más ceniza disminuye la alcalinidad la cual afecta negativamente a las propiedades mecánicas del sistema debido a que la fuerza iónica generada en el sistema activador- aglutinante no es lo suficientemente elevada como para hidrolizar satisfactoriamente el silicio y el aluminio presentes en el material de partida (Fernández, García, y Palomo, 2007).
Los resultados obtenidos corroboran lo indicado por Kovalchuk, Palomo y Fernández (2008) que un contenido de sílice muy elevado en el sistema de partida origina un punto de inflexión en el desarrollo mecánico del material.
En la figura IV.12 se muestra el esfuerzo sobre deformación unitaria de las probetas estudiadas para definir el comportamiento de los suelos donde nos permitió determinar en la figura IV.13 el Módulo de Young mediante el cual obtuvimos la rigidez de las probetas hasta un punto máximo de 78 Mega Pascales (MPa) para 15% de CBCA activada alcalinamente respecto al suelo patrón. Posteriormente a partir de allí se manifiesta un descenso en la rigidez al añadir un 20% de CBCA activada alcalinamente.
63
Figura IV.12.Esfuerzo sobre deformación unitaria UU
Figura IV.13.Módulo de Young UU
Los valores mostrados del módulo de Young (E) del suelo en la Tabla IV.6 según Universidad Alfonso (2014), muestran la estructura de suelo en condiciones no drenadas, correspondientemente a los resultados obtenidos.
0 199 397 596 794 993 1191 1390 1588 1787 1985 0.000 2.817 5.635 8.452 Es fu er zo d es vi ad or (K Pa ) Deformación unitaria 10% 15% 20% SUELO PATRÓN 291 482 784 602 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0% 10% 15% 20% M ód ul o de Y ou ng (K Pa ) Adiciones de CBCA
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Tabla IV.6.Parámetros elásticos de suelo en condiciones no drenadas.
(Universidad Alfonso, 2014)
Los valores de Módulo de Young mostrados en KPa (figura IV.13) fueron convertidos a MPa y son los siguientes:
Suelo Patrón: 29 MPa Arena Medianamente Densa 10 % CBCA: 48 MPa Arena Densa
15 % CBCA: 78 MPa Arena Densa 20 % CBCA: 60 MPa Arena Densa
Por lo tanto, se observa que las probetas con adición de ceniza de bagazo de caña activada alcalinamente presentan deformaciones elásticas desde el origen hasta el valor de 1588 KPa aproximadamente, a partir del cual entra en la zona plástica, donde el material perdió sus características de recuperación de sus deformaciones en su sistema mientras que el suelo patrón presenta un comportamiento de tipo plástico por ser un material medianamente denso y blando.
Al aumentar el porcentaje de CBCA activada alcalinamente aumenta la densidad de la probeta, debido a que la formación del gel N.A.S.H. aporta mayor cohesión entre las partículas de la arena (generando mayores contactos entre las partículas), por lo tanto, posee mejor rigidez, llegando a un límite óptimo que es el 15%, desde el cual se empezará a disminuir, debido a la presencia de mayor sílice sin reaccionar, la que disminuye la alcalinidad como se observa en el contenido de 20 % de CBCA activada alcalinamente.
Arena densa Arena muy densa 300 KPa-450KPa 500 KPa-900KPa 1000 KPa-2000KPa Suelos blandos Arcillas blandas Arcillas medias Arcillas firmes Arena arcillosa Arena suelta
Arena medianamente densa Eu= 1000 a 1200 20 KPa-50KPa 40 KPa-80KPa 70 KPa-200KPa 300 KPa-400KPa 100 KPa-250KPa
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F. Resistencia a la compresión triaxial consolidado no drenado del suelo patrón y con adición de CBCA activada alcalinamente.
Etapa de saturación:
En esta etapa se inicia el proceso, donde se observa en la Figura IV.14 los periodos de saturación de las probetas de suelo patrón y del 15 % de CBCA activada alcalinamente registradas en horas.
Figura IV.14.Proceso de saturación CU en horas.
Para determinar que la probeta ha llegado a saturarse completamente se midió el Parámetro de Skempton (B≥ 0.95), la cual nos indicó que