análisis de la relación de soporte y resistencia a la
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Universidad de La Salle Universidad de La Salle
Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle
Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería
2019
Análisis de la relación de soporte y resistencia a la compresión de Análisis de la relación de soporte y resistencia a la compresión de
un suelo arcillo-limoso en la vereda de Liberia del municipio de un suelo arcillo-limoso en la vereda de Liberia del municipio de
Viotá Cundinamarca estabilizado con ceniza de cascarilla de café Viotá Cundinamarca estabilizado con ceniza de cascarilla de café
Andrés Felipe Hernández García Universidad de La Salle, Bogotá
María Fernanda Herrera Vargas Universidad de La Salle, Bogotá
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ANÁLISIS DE LA RELACIÓN DE SOPORTE Y RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN
DE UN SUELO ARCILLO-LIMOSO EN LA VEREDA DE LIBERIA DEL MUNICIPIO
DE VIOTÁ-CUNDINAMARCA ESTABILIZADO CON CENIZA DE CASCARILLA DE
CAFÉ
ANDRÉS FELIPE HERNÁNDEZ GARCÍA
MARÍA FERNANDA HERRERA VARGAS
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D. C.
2019
Análisis de la relación de soporte y resistencia a la compresión de un suelo arcillo-limoso en la
vereda de Liberia del municipio de Viotá-Cundinamarca estabilizado con ceniza de cascarilla de
café
Andrés Felipe Hernández García
María Fernanda Herrera Vargas
Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de Ingeniero Civil
Director temático:
Msc. I.C. Martín Ernesto Riascos Caipe
Universidad de La Salle
Facultad de Ingeniería
Programa de Ingeniería civil
Bogotá D. C.
2019
Nota de aceptación
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Firma del director
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Firma del jurado
____________________________________
Firma del jurado
Agradecimientos
En primer lugar, le agradecemos a Dios por su amor y su bondad, por habernos acompañado y
guiado a lo largo de nuestra carrera. Por ser nuestra fortaleza en los momentos de debilidad y
por brindarnos una vida llena de aprendizajes, experiencias, ya que gracias a este proceso y
finalmente hoy con la entrega de nuestra tesis estamos seguros que esta experiencia nos ayudó a
crecer más como seres humanos, acrecentando en nosotros los valores de tolerancia, respeto,
porque a pesar de los tropiezos y dificultades, hoy con humildad podemos decir, si se puede,
cuando se tiene una meta clara, cuando hay perseverancia y disciplina.
Gracias a nuestras familias que fueron parte fundamental para lograr nuestros objetivos y
cumplir cada una de las metas.
Gracias a nuestro tutor el Ingeniero Martín Ernesto Riascos por su ayuda y conocimiento
entregados en esta investigación. A Oscar Malagón y Luis Borja quienes con su experiencia nos
dieron su apoyo y colaboración en cada uno de los laboratorios realizados.
Finalmente, pero no menos importante a la Universidad de la Salle, la cual puso a nuestra
disposición sus instalaciones para llevar a cabo todo este proceso.
Dedicatoria
Principalmente a Dios quien fue mi guía durante todo este camino, concediéndome poder
terminar con éxito este primer gran logro para mi vida.
A mi madre Sara García quien fue mi principal apoyo incondicional, por su amor y sus consejos
en cada momento, por estar junto a mí guiándome y acompañándome sin importar la situación.
A mi padre Tilson Hernández quien me dio su apoyo para poder llevar acabo cada objetivo y
cumplirlo en su totalidad.
A mi hermana Karen Hernández por ser mi apoyo y compañía en los momentos difíciles y quien
me motiva a ser perseverante para cumplir mis ideales y ser una mejor persona cada día.
Andrés Felipe Hernández García
Dedicatoria
A Dios, por haberme dado la vida, por permitirme el haber llegado a este momento tan
importante de mi formación profesional, porque con su infinita misericordia me dio la sabiduría
para alcanzar esta meta.
A mi tío José Alberto y abuelo Varguitas, quienes desde el Cielo guían mi camino y fueron los
pilares fundamentales en la toma de decisión de mi carrera profesional, dándome fortaleza para
continuar y no rendirme en alcanzar mis sueños.
A mis Padres Jairo y Olga Lucia, porque son las personas que siempre han estado ahí,
guiándome, mostrándome el camino hacia la superación, para llegar a ser esa persona con los
valores que me caracterizan.
A Olivita, Juan Diego, y toda mi familia, por apoyarme cuando más los necesité, por extender su
mano en los momentos difíciles y por el amor brindado cada día, siempre los llevaré en mi
corazón.
María Fernanda Herrera Vargas
TABLA DE CONTENIDO
Introducción .................................................................................................................................. 16
Aspectos generales del proyecto ................................................................................................... 17
Descripción del problema ......................................................................................................... 17
Formulación del problema ........................................................................................................ 18
Justificación y delimitación del proyecto ................................................................................. 18
Objetivos ....................................................................................................................................... 19
Objetivo general ........................................................................................................................ 19
Objetivos específicos ................................................................................................................ 19
Antecedentes ................................................................................................................................. 19
Marco de Referencia ..................................................................................................................... 31
Marco Teórico ........................................................................................................................... 31
Desecho cascarilla de café o cisco ........................................................................................ 31
Granulometría ....................................................................................................................... 32
Límites de consistencia ......................................................................................................... 33
Peso específico de los suelos ................................................................................................ 33
Resistencia al corte de los suelos .......................................................................................... 34
Compactación ....................................................................................................................... 35
California Bearing Ratio (CBR) ........................................................................................... 36
Marco Conceptual ..................................................................................................................... 37
California Bearing Ratio (CBR): .......................................................................................... 37
Cisco: .................................................................................................................................... 37
Estabilización: ....................................................................................................................... 37
Granulometría: ...................................................................................................................... 37
Límite de contracción: .......................................................................................................... 37
Límite líquido: ...................................................................................................................... 38
Límite plástico: ..................................................................................................................... 38
Plasticidad: ............................................................................................................................ 38
Prueba de Proctor o estándar de compactación: ................................................................... 38
Suelo: .................................................................................................................................... 38
Tipos de muestra de suelo ..................................................................................................... 39
Marco Legal .............................................................................................................................. 39
Metodología .................................................................................................................................. 41
Tipo de investigación ................................................................................................................ 41
Hipótesis ................................................................................................................................... 41
Diseño experimental ................................................................................................................. 43
Primera fase: Recopilación de información y materiales ..................................................... 43
Segunda fase: Caracterización de la ceniza .......................................................................... 43
Tercera fase: Caracterización del suelo ................................................................................ 43
Cuarta fase: Mezcla de ceniza con suelo. ............................................................................. 43
Quinta fase: Documento final ............................................................................................... 44
Plan de ensayos ......................................................................................................................... 44
Procedimiento y resultados ........................................................................................................... 46
Diseño exploratorio ................................................................................................................... 46
Determinación del contenido orgánico de un suelo mediante el ensayo de pérdida de ignición
INV. E. 121 –13 ........................................................................................................................ 48
Determinación de los tamaños de las partículas de los suelos INV. E. 123 –13 ...................... 49
Análisis por medio de tamizado ............................................................................................ 49
Análisis por medio de hidrómetro......................................................................................... 51
Límites de consistencia INV. E 125-126 – 13 .......................................................................... 54
Determinación del límite líquido de los suelos INV. E. 125 -13 .......................................... 54
Límite plástico e índice de plasticidad de los suelos INV. E. 126 -13 ................................. 58
Determinación de la gravedad especifica de las partículas sólidas de los suelos y del llenante
mineral, empleando un picnómetro con agua INV. E. 128 -13 ................................................ 60
Relaciones humedad – peso unitario seco en los suelos (ensayo normal de compactación) INV.
E. 141 -13 .................................................................................................................................. 61
CBR de los suelos compactados en el laboratorio INV. E. 148 -13 ......................................... 63
Resistencia a la compresión inconfinada de mezclas compactadas de suelo cal INV. E. 605 -13
................................................................................................................................................... 65
Espectrometría de fluorescencia de rayos x ISO 13196 -2015 ................................................. 67
Análisis de resultados ................................................................................................................... 69
Determinación del contenido orgánico de un suelo mediante el ensayo de pérdida de ignición
INV. E. 121 –13 ........................................................................................................................ 69
Determinación de los tamaños de las partículas de los suelos INV. E. 123 –13 ...................... 69
Límites de consistencia INV. E 125-126 – 13 .......................................................................... 72
Determinación de la gravedad especifica de las partículas sólidas de los suelos y del llenante
mineral, empleando un picnómetro con agua INV. E. 128 -13 ................................................ 82
Relaciones humedad – peso unitario seco en los suelos (ensayo normal de compactación) INV.
E. 142 -13 .................................................................................................................................. 84
CBR de los suelos compactados en el laboratorio INV. E. 148 -13 ......................................... 89
Resistencia a la compresión inconfinada de mezclas compactadas de suelo cal INV. E. 605 -13
................................................................................................................................................... 94
Espectrometría de fluorescencia de rayos x ISO 13196 -2015 ................................................. 96
Conclusiones ................................................................................................................................. 97
Recomendaciones ......................................................................................................................... 99
Fuentes de información bibliográfica ......................................................................................... 100
Libros .......................................................................................................................................... 100
Revistas ....................................................................................................................................... 100
Cibergrafía .................................................................................................................................. 101
Lista de tablas
Tabla 1 Propiedades químicas ...................................................................................................... 20
Tabla 2 Propiedades físicas ........................................................................................................... 20
Tabla 3 Límites de Atterbert en porcentaje ................................................................................... 21
Tabla 4 Componentes químicos ceniza de cascarilla de arroz ...................................................... 24
Tabla 5 Resultados ensayo CBR ................................................................................................... 26
Tabla 6 Resultados densidad seca ................................................................................................. 26
Tabla 7 Resultados agua absorbida durante la inmersión ............................................................. 26
Tabla 8 Límites e índice de plasticidad......................................................................................... 27
Tabla 9 Humedad optima y peso seco máximo ............................................................................ 28
Tabla 10 Proporciones de cascarilla de arroz y ceniza volante .................................................... 29
Tabla 11 Composición de la cascarilla de café ............................................................................. 30
Tabla 12 Normas INVIAS -13 empleadas .................................................................................... 39
Tabla 13 Norma ISO -2015 empleada en la investigación ........................................................... 41
Tabla 14 Variables dependientes e independientes ...................................................................... 41
Tabla 15 Normas para la caracterización de la CCC .................................................................... 44
Tabla 16 Normas para la caracterización del S0C ........................................................................ 45
Tabla 17 Ensayos realizados a las mezclas de suelo-ceniza ......................................................... 46
Tabla 18 Contenido de materia orgánica ...................................................................................... 49
Tabla 19 Granulometría del suelo S0C ......................................................................................... 53
Tabla 20 Granulometría de la ceniza de cascarilla de café ........................................................... 53
Tabla 21 Número de golpes y contenido de humedad .................................................................. 56
Tabla 22 Límite líquido (%) ......................................................................................................... 58
Tabla 23 Límite plástico (%) ........................................................................................................ 59
Tabla 24 Índice de plasticidad (%) ............................................................................................... 60
Tabla 25 Gravedad especifica ....................................................................................................... 61
Tabla 26 Humedad optima y densidad seca máxima .................................................................... 63
Tabla 27 CBR o relación de soporte y expansión por dosificación .............................................. 64
Tabla 28 Resistencia a la compresión inconfinada ....................................................................... 67
Tabla 29 Contenido químico de la CCC ....................................................................................... 68
Tabla 30 Calificación MIT de suelos en fracciones granulométricas ........................................... 70
Tabla 31 Resultados límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad S15C y S25C ........... 78
Tabla 32 Resultados límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad S50C, S100C y S200C
....................................................................................................................................................... 79
Tabla 33 Rangos generales de Gs para varios suelos ................................................................... 83
Lista de figuras
Figura 1 Efecto de las cenizas en el índice de plasticidad ............................................................ 21
Figura 2 Efecto de las cenizas en el porcentaje de humedad óptima de compactación ................ 22
Figura 3 Efecto de las cenizas en la densidad seca máxima ......................................................... 22
Figura 4 Efecto de las cenizas en el CBR no sumergido .............................................................. 23
Figura 5 Efecto de las cenizas en el CBR sumergido ................................................................... 23
Figura 6 Efecto de las cenizas en la resistencia a la compresión inconfinada .............................. 24
Figura 7 Muestra sometida a un esfuerzo de corte ....................................................................... 34
Figura 8 Curvas ensayo de estándar de compactacion .................................................................. 35
Figura 9. Distribución de apiques ................................................................................................. 47
Figura 10. Perfil estratigráfico del suelo ....................................................................................... 48
Figura 11 Mufla con muestra a 445°C .......................................................................................... 49
Figura 12 Cuarteo del material y proceso de lavado del material ................................................. 50
Figura 13 Tamices para granulometría ......................................................................................... 51
Figura 14 Proceso de mezclado de la solución de hexametafosfato con el suelo ......................... 52
Figura 15 Hidrometría................................................................................................................... 52
Figura 16 Ranura formada y ranura al cerrar los 13mm ............................................................... 55
Figura 17 Muestras límite líquido ................................................................................................. 55
Figura 18 Límite líquido S0C I ..................................................................................................... 57
Figura 19 Muestras de límite plástico (rollos de 3.2mm de diámetro) ......................................... 59
Figura 20 Proceso para la determinación de la gravedad especifica de las muestras ................... 60
Figura 21 Ensayo estándar de compactación ................................................................................ 62
Figura 22 Ensayo relación de soporte ........................................................................................... 63
Figura 23 Ensayo de penetración .................................................................................................. 64
Figura 24 Muestras en horno a 40°C ............................................................................................ 65
Figura 25 Cilindro de muestra sumergido .................................................................................... 66
Figura 26 Infiltración por capilaridad ........................................................................................... 66
Figura 27 Compresión inconfinada ............................................................................................... 67
Figura 28 Granulometría del suelo ............................................................................................... 71
Figura 29 Granulometría de la CCC ............................................................................................. 72
Figura 30 Carta de plasticidad S0C .............................................................................................. 73
Figura 31 Clasificación AASTHO S0C ........................................................................................ 73
Figura 32 Carta de plasticidad S4C .............................................................................................. 75
Figura 33 Clasificación AASTHO S4C ........................................................................................ 75
Figura 34 Carta de plasticidad S6C .............................................................................................. 76
Figura 35 Clasificación AASTHO S6C ........................................................................................ 76
Figura 36 Carta de plasticidad S8C .............................................................................................. 77
Figura 37 Clasificación AASTHO S8C ........................................................................................ 77
Figura 38 Carta de plasticidad S15C y S25C................................................................................ 78
Figura 39 Clasificación AASTHO S15C y S25C ......................................................................... 79
Figura 40 Carta de plasticidad S50C, S50C y S200C ................................................................... 80
Figura 41 Clasificación AASTHO S50C, S100C y S200C .......................................................... 80
Figura 42 Relación índice de plasticidad y límite líquido con contenido de ceniza ..................... 81
Figura 43 Gravedad específica de las muestras ............................................................................ 83
Figura 44 Curvas de compactación S0C ....................................................................................... 85
Figura 45 Curvas de compactación S4C ....................................................................................... 86
Figura 46 Curvas de compactación S6C ....................................................................................... 86
Figura 47 Curvas de compactación S8C I..................................................................................... 87
Figura 48 Humedad óptima .......................................................................................................... 88
Figura 49 Peso seco máximo ........................................................................................................ 88
Figura 50 Saturación ..................................................................................................................... 89
Figura 51 CBR del suelo (95%) .................................................................................................... 90
Figura 52CBR del suelo con 8% de CCC (S8C) (95%) ............................................................... 90
Figura 53 CBR de cada muestra ................................................................................................... 91
Figura 54 Expansión del suelo ...................................................................................................... 92
Figura 55 Humedad optima vs CBR ............................................................................................. 92
Figura 56 Peso seco máximo vs CBR ........................................................................................... 93
Figura 57 Índice de plasticidad vs CBR ....................................................................................... 93
Figura 58 Resistencia a la compresión inconfinada del suelo seco .............................................. 94
Figura 59 Resistencia a la compresión inconfinada del suelo por infiltración ............................. 95
Figura 60 Relación resistencia seca sobre resistencia húmeda ..................................................... 96
16
Introducción
En los últimos años se han realizado investigaciones de estabilización de suelos con alta
plasticidad, debido a que estos se caracterizan por su baja capacidad portante y grandes
deformaciones; es por ello por lo que se ha implementado el uso de cenizas de desechos
agrícolas, ya que no solo mejoran las propiedades del suelo, si no que a su vez se está dando
provecho al desecho.
Este proyecto de investigación busca analizar la incidencia de la ceniza de cascarilla de café
(CCC) en un suelo arcillo-limoso presente en la vereda Liberia del municipio de Viotá-
Cundinamarca. Este desecho fue seleccionado debido a que la zona de estudio es cafetera,
motivo por el cual se genera gran cantidad de cascarilla de café empleada como biocombustible
en las maquinas secadoras de café (o silo).
Por ello se planteó diferentes dosificaciones en peso (4, 6 y 8% de ceniza) con respecto al
suelo, basados en los antecedentes recopilados; esto con el fin de identificar el porcentaje óptimo
de ceniza que da un mejor comportamiento al suelo. Se realizó ensayos de clasificación del suelo
tales como límites de consistencia, contenido de material orgánico, granulometría por tamizado e
hidrómetro y gravedad especifica; junto a ensayos de resistencia como el ensayo normal de
compactación, relación de soporte o CBR y compresión simple; cada uno de los ensayos fue
realizado tanto al suelo natural como a la mezcla suelo-ceniza. De igual forma la ceniza de
cascarilla de café fue clasificada con los ensayos físicos de granulometría por tamizado e
hidrómetro, contenido de material orgánico y gravedad específica; y el ensayo químico de
fluorescencia rayos x para identificar los componentes presentes en la ceniza.
17
Los resultados muestran que la CCC aporta al suelo arcilloso-limoso en estudio propiedades
que le permiten mejorar su comportamiento y resistencia; es decir la ceniza de cascarilla de café
es apta como estabilizante, por otro lado se está dado provecho a un desecho y no solo es una
alternativa amigable con el ambiente si no que disminuye los costos en comparación a la
estabilización de suelos con cemento o cal.
Aspectos generales del proyecto
Descripción del problema
Actualmente las vías terciarias de la vereda de Liberia en el municipio de Viotá-
Cundinamarca se encuentran en malas condiciones, debido a su gran estado de deterioro;
afectando la calidad de vida de las personas que habitan y transitan por estas vías.
La estabilización es un proceso que consiste en aumentar la resistencia y la durabilidad del
suelo. El cemento es uno de los principales productos empleado para tal fin, el cual implica un
elevado costo de implementación; es por ello que se busca la utilización de materiales
alternativos que no solo cumplan con la función de estabilizantes, si no que a su vez permitan de
cierto modo ayudar al medio ambiente.
El municipio de Viotá es una zona cuya principal actividad económica gira en torno a la
producción del café, considerado “el primer productor de café en Cundinamarca” (Alcaldía
Municipal de Viotá, 2015); Por tal motivo, se genera una gran cantidad de cascarilla de café
(Salazar C., Garcia O., & Olaya, s.f., pág. 51) Este desecho se usa como biocombustible en la
máquinas secadoras de café, en donde ya es obtenida la cascarilla como ceniza; es por ello que se
propone su utilización como estabilizador de los suelos en la región, ya que se cuentan con
estudios previos en los que se observan las propiedades tanto físicas como químicas de la CCC
18
que permitan, por una parte proporcionar mejoras en el comportamiento geomecánico del suelo
arcillo-limoso en función de la relación de soporte y resistencia a la compresión, y de igual
forma obtener un óptimo aprovechamiento de este desecho.
Formulación del problema
¿De qué manera incide la adición de ceniza de cascarilla de café en la relación de soporte y
resistencia a la compresión en un suelo arcillo-limoso? Estudio a realizar en la vereda Liberia en
el Municipio de Viotá - Cundinamarca durante un periodo de seis meses del presente año 2018.
Justificación y delimitación del proyecto
En relación con los aditivos de origen natural, se han efectuado diferentes estudios para
identificar las propiedades que aportan al suelo. Gracias a dichas investigaciones se ha
determinado que con el aditivo de ceniza de cascarilla de arroz se logra un aumento en la
resistencia del suelo. Con el fin de seguir en la misma línea, se busca establecer si la ceniza de la
cascarilla de café (CCC) aporta propiedades mecánicas al ser adicionadas al suelo.
Vale la pena aclarar que se opta por este aditivo gracias a que Colombia es un país cafetero y
el volumen de cascarilla que se genera es alto. De aquí se desprende que no solo se obtendrá un
logro a nivel de conocimiento sino un beneficio económico y ambiental.
Este proyecto se llevará a cabo por medio del plan de ensayos y las fases descritas en la
metodología, el cual se implementará desde la caracterización y propiedades del suelo (el cual
presenta características de un suelo arcillo-limoso) con o sin ceniza, hasta la determinación de la
relación de soporte y resistencia a la comprensión del suelo estabilizado. Se debe considerar la
realización de ensayos al suelo natural y al adicionar a este mismo la CCC en proporciones de 4,
19
6 y 8% en peso al suelo de la vereda Liberia, en el Municipio de Viotá - Cundinamarca. La
investigación requiere de un periodo de seis (6) meses para el desarrollo de dicho proyecto.
Objetivos
Objetivo general
Analizar la relación de soporte y resistencia a la compresión de un suelo arcillo-limoso en la
vereda de Liberia del municipio de Viotá-Cundinamarca estabilizado con ceniza de cascarilla de
café.
Objetivos específicos
Determinar las propiedades de plasticidad, tamaño de partículas y gravedad especifica de un
suelo arcillo-limoso procedente del municipio de Viotá - Cundinamarca y de la ceniza de
cascarilla de café. A su vez la composición química de la CCC.
Analizar la incidencia en la plasticidad de la adición de ceniza de cascarilla de café en un
suelo arcillo limoso, en función de la plasticidad y gravedad específica.
Evaluar el comportamiento de la relación de soporte y resistencia a la compresión de un suelo
arcillo limoso al adicionar de ceniza de cascarilla de café.
Antecedentes
En la India, Yadav, Gaurav, Kishor & Suman (2016) realizaron un estudio sobre la
estabilización de un suelo aluvial con un valor de CBR muy bajo, indicando esto un suelo “muy
pobre” con módulo resiliente bajo; es por ello que, para mejorar las propiedades del suelo
optaron por realizar una estabilización con desechos agrícolas tales como la ceniza de cascarilla
de arroz (RHA) produciéndose un total de “24 millones de toneladas al año”, ceniza de bagazo
20
de caña de azúcar (SCBA) siendo el 39% de las 26 toneladas de caña de azúcar producidas al año
y la ceniza de estiércol de vaca (CDA) teniendo entre 10-15 kg de estiércol por vaca al día. En la
Tabla 1 y Tabla 2 se observan las propiedades químicas y físicas de las cenizas.
Tabla 1 Propiedades químicas
No. Component Test result (%by mass)
CDA RHA SCBA
1 Silica (SiO2) 57,33 95,60 70,87
2 Aluminium Oxide (Al2O3) 5,02 0,30 6,86
3 Iron Oxide (Fe2O3) 2,78 1,20 4,87
4 Calcium Oxide (CaO) 14,20 0,30 3,41
5 Magnesia (MgO) 4,30 0,20 3,25
Fuente: Yadav, A., Gaurav, K., Kishor, R., & Suman, S.K. (2016, p.1). Stabilization of alluvial soil for
subgrade using rice husk ash, sugarcane bagasse ash and cow dung ash for rural roads. Pavement
Research and Technology. Recuperado el 18 de marzo de 2018, de https://www-sciencedirect-com
Tabla 2 Propiedades físicas
No. Property Test result
CDA RHA SCBA
1 Colour Grey Grey Grey
2 Specific gravity 1,87 1,89 1,90
3 Liquid limit 43,85 45,30 40,20
4 Plastic limit Non-plastic Non-plastic Non-plastic
5 Optimum moisture content (%) 41,25 43,56 45,60
6 Maximum dry density (gm/cm3) 1,19 1,18 1,16
Fuente: Yadav, A., Gaurav, K., Kishor, R., & Suman, S.K. (2016, p.2). Stabilization of alluvial soil for
subgrade using rice husk ash, sugarcane bagasse ash and cow dung ash for rural roads. Pavement
Research and Technology. Recuperado el 18 de marzo de 2018, de https://www-sciencedirect-com
Para la realización del ensayo emplearon un suelo clasificado como arcilla plástica obtenido a
una profundidad de 1,5 – 2,5m, a la cual se le agregó una cantidad de ceniza que varió entre
2,5% a un 12,5% en peso de suelo aumentando cada 2,5%. Los resultados obtenidos en las
pruebas de laboratorio realizadas se observan en la ¡Error! No se encuentra el origen de la r
eferencia. y desde la Figura 1 hasta la Figura 6.
21
Tabla 3 Límites de Atterbert en porcentaje
Different mixing proportions RHA SCBA CDA
Soil: Ash (CDA/RHA/SCBA) LL PL LL PL LL PL
100 : 0 36,06 23,7 36,06 25,1 36,06 23,7
97,5 : 2,5 35,2 24,92 36,61 25,86 33,79 23,33
95 : 5 35,06 25,27 34,5 24,6 38,03 27,76
92,5 : 7,5 34,87 26,32 33,24 25,76 41,63 31,87
90 : 10 34,52 27,96 32,37 26,25 39,3 29,62
87,5 : 12,5 34,49 28,33 31,85 25,97 42,81 33,44
Fuente: Yadav, A., Gaurav, K., Kishor, R., & Suman, S.K. (2016, p.3). Stabilization of alluvial soil for
subgrade using rice husk ash, sugarcane bagasse ash and cow dung ash for rural roads. Pavement
Research and Technology. Recuperado el 18 de marzo de 2018, de https://www-sciencedirect-com
Figura 1 Efecto de las cenizas en el índice de plasticidad
Fuente: Yadav, A., Gaurav, K., Kishor, R., & Suman, S.K. (2016, p.3). Stabilization of alluvial soil for
subgrade using rice husk ash, sugarcane bagasse ash and cow dung ash for rural roads. Pavement
Research and Technology. Recuperado el 18 de marzo de 2018, de https://www-sciencedirect-com
22
Figura 2 Efecto de las cenizas en el porcentaje de humedad óptima de compactación
Fuente: Yadav, A., Gaurav, K., Kishor, R., & Suman, S.K. (2016, p.3). Stabilization of alluvial soil for
subgrade using rice husk ash, sugarcane bagasse ash and cow dung ash for rural roads. Pavement
Research and Technology. Recuperado el 18 de marzo de 2018, de https://www-sciencedirect-com
Figura 3 Efecto de las cenizas en la densidad seca máxima
Fuente: Yadav, A., Gaurav, K., Kishor, R., & Suman, S.K. (2016, p.4). Stabilization of alluvial soil for
subgrade using rice husk ash, sugarcane bagasse ash and cow dung ash for rural roads. Pavement
Research and Technology. Recuperado el 18 de marzo de 2018, de https://www-sciencedirect-com
23
Figura 4 Efecto de las cenizas en el CBR no sumergido
Fuente: Yadav, A., Gaurav, K., Kishor, R., & Suman, S.K. (2016, p.p.4-5). Stabilization of alluvial soil for
subgrade using rice husk ash, sugarcane bagasse ash and cow dung ash for rural roads. Pavement
Research and Technology. Recuperado el 18 de marzo de 2018, de https://www-sciencedirect-com
Figura 5 Efecto de las cenizas en el CBR sumergido
Fuente: Yadav, A., Gaurav, K., Kishor, R., & Suman, S.K. (2016, p.p.4-5). Stabilization of alluvial soil for
subgrade using rice husk ash, sugarcane bagasse ash and cow dung ash for rural roads. Pavement
Research and Technology. Recuperado el 18 de marzo de 2018, de https://www-sciencedirect-com
24
Figura 6 Efecto de las cenizas en la resistencia a la compresión inconfinada
Fuente: Yadav, A., Gaurav, K., Kishor, R., & Suman, S.K. (2016, p.5). Stabilization of alluvial soil for
subgrade using rice husk ash, sugarcane bagasse ash and cow dung ash for rural roads. Pavement
Research and Technology. Recuperado el 18 de marzo de 2018, de https://www-sciencedirect.com
Los desechos cumplieron la función de estabilizantes mejorando las propiedades del suelo; sin
embargo, la ceniza de cascarilla de arroz fue la que proporcionó mejores características al suelo
con un porcentaje óptimo de 7,5%, seguido de la ceniza de bagazo de caña de azúcar y la ceniza
de estiércol de vaca respectivamente.
De La Pared en 2013 se basó únicamente en la ceniza de la cascarilla de arroz debido a que
contiene un alto contenido de sílice (Tabla 4) siendo un elemento importante a la hora de
evaluarlo como estabilizador.
Tabla 4 Componentes químicos ceniza de cascarilla de arroz
Componentes químicos
Ceniza de cascarilla de arroz
Componente Muestra #01 Muestra #02 Muestra #03
SiO2 97,0800% 97,1000% 97,1700%
Al2O3 0,1890% 0,1800% 0,1800%
Fe2O3 0,1300% 0,1570% 0,1340%
CaO 1,8100% 1,8000% 1,7500%
MgO 0,0005% 0,0050% 0,0050%
K2O 0,4700% 0,4200% 0,4400%
25
Componentes químicos
Ceniza de cascarilla de arroz
Componente Muestra #01 Muestra #02 Muestra #03
Na2O 0,0210% 0,0230% 0,0220%
MnO 0,0800% 0,0800% 0,0790%
ZnO 0,0100% 0,0100% 0,0080%
CuO 0,0100% 0,0110% 0,0060%
P2O5 0,0050% 0,0040% 0,0040%
SO3 0,0066% 0,0070% 0,0070%
TiO2 0,0000% 0,0000% 0,0000%
Cl 0,1700% 0,1800% 0,1900%
Perdida 0,0079% 0,8500% 0,0025%
Total 100,0% 100,0% 100,0%
Fuente: De La Pared, D. C. (2013, p.10). Estabilización del suelo mediante adiciones de ceniza de
cascarilla de arroz. UniAndes. Recuperado el 14 de marzo de 2018, de http://repositorio.uniandes.edu.co
De acuerdo a la norma ASTM C618 las puzolanas son materiales silícicos y/o alumínicos
silícicos los cuales por sí mismo no poseen capacidad cementante, pero finamente divididos
(molidos) y en presencia de agua pueden reaccionar químicamente con el hidróxido de calcio
a temperaturas ordinarias para formar un compuesto que posee ahora sí capacidad
cementante. (De La Pared, 2013, p.3).
Para la implementación de la CCA como adición para estabilizar el suelo, es necesario que
esta cuente con unas características físicas y mecánicas similares a las del cemento. La cascarilla
obtenida de la piladora es gruesa en comparación a la finura del cemento, es por ello que De La
Pared empleo la máquina de los ángeles para moler la ceniza en un tiempo óptimo de molienda
de 60 minutos; la finura de los elementos cementantes debe ser tal que el porcentaje de retenido
máximo permisible después de ser tamizado (tamiz No 325) sea 34% del material empleado; por
ello realizó diferentes pruebas de laboratorio con el suelo pasante del tamiz No 4 con diferentes
porcentajes de adición de CCA (5% - 10% - 15%), en donde obtuvo los resultados notados en la
Tabla 5 hasta la Tabla 7.
26
Tabla 5 Resultados ensayo CBR
Resultados de los ensayos de CBR
CCA 2,54 mm % Incremento
resistencia 5,08 mm
% Incremento
resistencia
0% 3,76% 4,45%
5% 7,68% 104% 9,06% 104%
10% 5,87% 56% 6,16% 38%
15% 6,14% 63% 6,00% 35%
Fuente: De La Pared, D. C. (2013, p.13). Estabilización del suelo mediante adiciones de ceniza de
cascarilla de arroz. UniAndes. Recuperado el 14 de marzo de 2018, de http://repositorio.uniandes.edu.co
Tabla 6 Resultados densidad seca
CCA
Densidad seca (kg/m3)
56 golpes 25 golpes 10 golpes
0% 2210,09 2120,23 1996,51
5% 2104,38 1983,06 1835,66
10% 1969,98 1895,71 1610,45
15% 1851,38 1729,73 1410,97
Fuente: De La Pared, D. C. (2013, p.14). Estabilización del suelo mediante adiciones de ceniza de
cascarilla de arroz. UniAndes. Recuperado el 14 de marzo de 2018, de http://repositorio.uniandes.edu.co
Tabla 7 Resultados agua absorbida durante la inmersión
CCA % Agua absorbida durante la inmersión
56 golpes 25 golpes 10 golpes
0% 21,00% 30,63% 47,18%
5% 30,94% 46,81% 77,23%
10% 63,25% 87,90% 110,72%
15% 94,64% 136,09% 172,45%
Fuente: De La Pared, D. C. (2013, p.15). Estabilización del suelo mediante adiciones de ceniza de
cascarilla de arroz. UniAndes. Recuperado el 14 de marzo de 2018, de http://repositorio.uniandes.edu.co
Por lo tanto De La Pared determinó que el porcentaje de cascarilla de arroz óptimo para
cumplir la función de estabilizante en el suelo corresponde a un 5%. Como se ha venido
27
mencionando la cascarilla de arroz presenta un gran contenido de sílice que le permite una
acción puzolánica que aumenta las propiedades del suelo. Es por ello que se han desarrollado
investigaciones sobre la adicción de esta ceniza en el suelo; en Brasil se realizó un estudio del
efecto de la ceniza de cáscara de arroz en la plasticidad y la compactación de una mezcla de
suelo-cal, en donde se obtuvo como contenido óptimo de cal hidratada para estabilizar el suelo
de 8%; por tal motivo el estudio se basó en este dato para la aplicación de la CCA a proporciones
de 5 y 10%, con el fin de analizar las propiedades físicas y mecánicas que aportaba el material
junto con la cal al suelo.
Los resultados obtenidos en cuanto a las propiedades de plasticidad y compactación se pueden
observar en la Tabla 8 y Tabla 9.
Tabla 8 Límites e índice de plasticidad
Material LL (%) LP (%) IP (%)
Solo 27,4 15,6 11,8
C1: Solo + 8% cal 26,6 17,3 9,2
C2: Solo + 8% cal + 5% CCA 29,0 17,9 11,1
C3: Solo + 8% cal + 10% CCA 28,4 18,6 9,8
Fuente: De Morais Alcântara, M. A., Pereira dos Santos, L., Souza, A., & Cardoso de Lima, D. (2017,
p.5). Efeito da cinza de casca de arroz na plasticidade e compactação de uma mistura solo-cal. Revista
Matéria. Vol. 22-03
28
Tabla 9 Humedad optima y peso seco máximo
Material Wot (%) ρdmax
(g/cm3)
Porcentagem variacao em relacao ao
solo natural (%)
Wot ρdmax
Solo 12,4 1,92
C1: Solo + 8% cal 13,7 1,88 +10,5 -2,1
C2: Solo + 8% cal + 5% CCA 13,7 1,84 +10,5 -4,3
C3: Solo + 8% cal + 10% CCA 14,4 1,81 +16,2 -6,1
Fuente: De Morais Alcântara, M. A., Pereira dos Santos, L., Souza, A., & Cardoso de Lima, D. (2017,
p.5). Efeito da cinza de casca de arroz na plasticidade e compactação de uma mistura solo-cal. Revista
Matéria. Vol 22-03.
Como se observa en la Tabla 8 la cal hidratada produce un descenso en el índice de
plasticidad en donde el límite plástico es el más afectado, debido a que pasa de un 15,6% a un
18,6%. De igual manera, la Tabla 9 nos indica un aumento en la humedad óptima del suelo (ya
que la cal hidratada y la CCA tienen alta capacidad de retención de agua) y una disminución en
la densidad seca máxima del suelo.
A su vez se ha analizado la modificación de un suelo altamente plástico no solo con cascarilla
de arroz sino también con ceniza volante a distintas proporciones. La cascarilla de arroz es un
residuo agroindustrial que contiene un porcentaje de cenizas de 20% a 25 % y sílice con
contenidos de 80% hasta 90%, mientras que la ceniza volante es un residuo generado en la
combustión de carbón. Ramos & Illidge optaron por las siguientes proporciones (Tabla 10), teniendo
en cuenta que para la utilización de cascarilla de arroz en la estabilización de suelos (AASHTO A-7- 6) se
determinó que el porcentaje adecuado es del 6%.
29
Tabla 10 Proporciones de cascarilla de arroz y ceniza volante
No Cascarilla de arroz Ceniza volante
1 6% -
2 6% 10%
3 6% 20%
4 6% 30%
Fuente: Elaboración propia
Con los resultados obtenidos en la investigación se concluyó:
o Disminuye el límite líquido de 171% del suelo natural al 75% del suelo modificado.
o Disminuye la plasticidad de 120% a un 27%
o Disminuye la cohesión de 10.27KPa a 4.181KPa
o La resistencia a la compresión inconfinada aumento de 48.5KPa a 166 KPa.
o La expansión disminuyó en un 51%
o Para el módulo resiliente se evidencia un aumento de la resistencia de 116, 3 KPa
comparado con el suelo natural que presentaba 35.2KPa.
Al agregar ceniza volante a las mezclas analizadas se obtiene una “variación en los tamaños
de poros del suelo ocasionando un aumento en la capacidad de absorción, reduciendo los
cambios volumétricos y mejorando la estabilidad de los agregados” (Ramos & Illidge, 2017)
Se concluyó que “la mejor modificación fue para la mezcla de arcilla con 6% de cascarilla de
arroz y 30% de ceniza volante” (Ramos & Illidge, 2017) en la cual “se obtuvo mejoras,
aumentando parámetros de resistencia del suelo, una reducción en la plasticidad, reducción en las
deformaciones y un aumento en la resistencia al momento de afrontar esfuerzos cíclicos,
30
consecuentemente esta es una alternativa viable económica y ambiental para tratar diferentes
problemáticas del área de la construcción” (Ramos & Illidge, 2017)
Con las anteriores investigaciones se da lugar a la propuesta de alternativa de la
implementación de la CCC en el suelo. Salazar, García y Olaya (2013) realizaron un estudio del
comportamiento de los hormigones al ser mezclados en diferentes dosificaciones de cascarilla de
café. De este resulta importante resaltar se obtiene 35g de cisco por cada 1 kg de café que se
trilla, por lo tanto “si tomamos como producción promedio nacional al año siete millones de
sacos de café pergamino de trilla equivalentes a 420.000 ton., 25.000 ton corresponden a cisco o
cascarilla de café” (Salazar, Garcia, & Olaya, s.f.). Por otro lado, afirman que la cascarilla es
rica en azúcares como se ve en la Tabla 11, esto hace que se impida la reacción del cemento,
razón por la cual el fraguado dura 72 horas más.
Tabla 11 Composición de la cascarilla de café
Componente Café arábica * Café robusta **
(%) (%)
Extracto etéreo 0,4 -
Proteínas totales 1,5 2,2
Celulosa bruta 50,2 60,2
Hemicelulosa 11,6 7,6
Azucares 21,3 -
Pentosa 26 -
Cenizas 1 3,3
Silicio 15,7 -
Aluminio (Al2O3) 3,4 -
Hierro (Fe2O3) 13,6 -
Calcio 19,6 -
Magnesio 12,2 -
Sodio 3,4 -
31
Componente Café arábica * Café robusta **
(%) (%)
Potasio 18 -
Grasas 0,6 -
* Fermentado 40 horas
** Fermentado 12 horas
Fuente: Salazar C., J., García O., C. D., & Olaya, J. M. (s.f., p.53). Dosificación de hormigones ligeros
con cascarilla de café. Ingeniería e Investigación.
Marco de Referencia
Marco Teórico
En los últimos años la ingeniería de pavimentos se ha enfocado en buscar alternativas que
faciliten la optimización de vías tercerías que por lo general no se encuentran en buenas
condiciones debido a la falta de recursos para su mantenimiento; es por ello se ha implementado
la técnica de estabilización de suelos en su mayoría con cemento (al igual que cal y cenizas), ya
que aumentan la capacidad portante y la resistencia mecánica del mismo, permitiendo una mayor
durabilidad. Por otro lado según investigaciones realizadas, se ha observado que existen
desechos con propiedades similares al cemento, que cumplen una función estabilizadora en los
suelos y a su vez son económicos y amigables con el medio ambiente.
Desecho cascarilla de café o cisco
Según Aguirre la cascarilla de café o cisco se utiliza como biocombustible (puesto que
presenta alta capacidad calórica) en el proceso de secado del fruto del cafeto (citado de Braham
& Bressani, 1978, p. 33) y de igual forma es capaz de generar energía eléctrica de forma limpia
con un nivel de C02 bajo. De igual forma la Federación Nacional de Cafeteros de Colombia
señala que el cisco de café es un subproducto con excelentes propiedades combustibles.
32
La producción de cascarilla de café al año en Colombia se encuentra alrededor de 227 kg/ha-
año (Federación Nacional de Cafeteros de Colombia, 2018), Viotá es considerado el primer
productor de café del departamento de Cundinamarca, en donde “la zona cafetera se encuentra
distribuida en 30 veredas [...] en una extensión de 4.818 hectáreas aproximadamente” (Alcaldía
Municipal de Viotá, 2015), lo cual indicaría una producción anual de cascarilla de café alrededor
de 1’093.686 kg/año (1.094 tonelada/año).
Granulometría
Para realizar la granulometría del material se tamiza este (en los tamices de referencia) y se
determina el porcentaje de material que pasa por cada uno de estos, para obtener así una gráfica
de composición granulométrica (% que pasa cada tamiz vs diámetro de tamiz) y realizar su
respectivo análisis. Las características de la granulometría pueden ser expresadas por medio de
números, nombres o símbolos que indiquen el tamaño representativo del material.
Allen Hazen propuso el método más conocido, la siguiente ecuación de coeficiente de
uniformidad (Cu) y coeficiente de curvatura (Cc).
𝐶𝑢 =𝐷60
𝐷10 (1)
𝐶𝑐 =(𝐷30)2
𝐷10∗𝐷60 (2)
Dónde:
D60: Diámetro en mm para el cual el 60% de las partículas son menores a este.
D10: Diámetro efectivo: Tamaño de partículas que pasan el 10% en la curva granulométrica.
D30: Diámetro en mm para el cual el 30% de las partículas son menores a este.
33
Un material se considera bien graduado si cumple con un coeficiente de uniformidad mayor a
4 en cuanto a gravas y de 6 para arenas, además de esto tener un coeficiente de curvatura entre 1
y 3. Cuando Cu es menor de lo indicado significa que el material no está bien graduado sino que
por otra parte presenta un diámetro uniforme en su composición. (Crespo, 1998, p.p. 50-51)
Límites de consistencia
Esos fueron desarrollados por Atterberg, el cual indicó que la plasticidad no era una propiedad
permanente en las arcillas sino que esta era circunstancial dependiendo el contenido de agua.
Según el contenido de agua un suelo susceptible a ser plástico y este puede estar en cualquiera
de estos estados definidos; estado líquido muestra propiedades aparentes de un fluido, estado
semilíquido indica propiedades de un fluido viscoso, estado plástico comportamiento plástico del
suelo, estado semisólido donde el suelo se presenta como sólido pero varía su volumen al ser
sometido a secado y por último el estado sólido en el que se presenta como sólido donde no
presenta variaciones con el secado.
La frontera presente en medio del estado semilíquido y plástico se denomina el límite líquido,
a su vez la presente en medio del estado plástico y semisólido se denomina límite plástico.
(Juárez & Rico, 2000, p.p. 127-128)
Peso específico de los suelos
Se denomina peso específico o densidad relativa (Dr) a la relación entre la densidad del suelo
y la densidad del agua, la cual se determina con la masa del cuerpo contenida en un volumen
(Da):
𝐷𝑎 =𝑃𝑠
𝑉𝑠 (3)
Dónde:
34
Ps: Peso de suelo
Vs: Volumen del suelo
Por lo tanto la densidad relativa corresponde a:
𝐷𝑟 =𝐷𝑎
𝐷𝑤 (4)
Donde (Dw) es la densidad absoluta del agua. (Crespo, 1998, p. 42)
Resistencia al corte de los suelos
“Los suelos se comportan bajo la acción de las cargas como los materiales elásticos, aunque
en algunos casos se producen deformaciones mayores que las normales, teniendo que recurrir
entonces a cálculos que tengan en cuenta la plasticidad de los suelos”. (Crespo, 1998, p. 161)
En la Figura 7 en el caso a se muestra un disgregamiento de las partículas, en el caso b la
muestra de suelo se desliza a lo largo de la línea de falla y en el caso c se evidencia cuando la
muestra de suelo es plástica y se produce la fluencia plástica también denominada falla por
abombamiento. “Estos movimientos dentro de la masa de suelo tienden a ser contrarrestados por
la llamada resistencia al corte del suelo”. (Crespo, C., p. 162)
Figura 7 Muestra sometida a un esfuerzo de corte
Fuente. Crespo, C. (1998). Mecánica de Suelos y Cimentaciones. México: Limusa.
Por lo tanto la resistencia al corte se calcula mediante la ecuación de Coulomb:
𝜏 = 𝑐 + 𝜎 ∗ (𝑡𝑎𝑛𝜑) (5)
35
Donde: τ = Resistencia al corte del suelo, el kg/cm2
c = Cohesión del suelo, en kg/cm2
σ = Esfuerzo instantáneo, en kg/cm2
φ = Ángulo de fricción interna del suelo, el cual se supone es constante. (Crespo, p. 161)
Compactación
La compactación se utiliza para el aumento de la resistencia y así mismo reducir la
compresibilidad del suelo. Se evidenció que al aplicarle una energía de compactación a un suelo
el peso específico de este varía dependiendo la cantidad de humedad como se ve en la Figura 8,
en la que se observa la humedad requerida para obtener el mayor peso específico del suelo.
Figura 8 Curvas ensayo de estándar de compactacion
Fuente. Crespo, C. (1998). Mecánica de Suelos y Cimentaciones. México: Limusa.
Al punto más alto se le denomina humedad óptima W0, junto al peso específico seco máximo
γs máx. El ensayo estándar de compactación consiste en aplicar una energía de compactación al
suelo en 3 capas (ensayo estándar o normal) con un martillo de 2.5 kg que cae de una altura de
30 cm; esta energía aplicada está definida por el número de golpes aplicados y se expresa de la
siguiente manera:
36
𝐸 =𝑊∗𝐻∗𝑁
𝑉 (6)
Donde:
E = Energía específica de compactación en kg-cm/cm3.
W = Peso del pistón en kg.
H = Altura de caída del pistón en cm.
N = Número total de golpes del pistón.
V = Volumen total del suelo compactado.
Esto indica que a mayor energía de compactación para el mismo suelo la densidad máxima de
este aumentará. (Crespo, p.p. 99-100)
California Bearing Ratio (CBR)
El CBR se utiliza como una forma de clasificación de la capacidad de un suelo para darle el
uso de subrasante o material de base en la construcción de un pavimento; se obtiene
Como la relación de la carga unitaria necesaria para lograr una cierta profundidad
del pistón de penetración dentro de una muestra compactada de suelo a un contenido
de humedad y densidad dadas con respecto a la carga unitaria patrón requerido para
obtener la misma profundidad de penetración en una muestra estándar de material
triturado. (Bowles, 1978, p. 190)
Por tal motivo la ecuación de CBR corresponde a:
𝐶𝐵𝑅 =𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜
𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑝𝑎𝑡𝑟ó𝑛∗ 100 (7)
“Los ensayos de CBR se hacen usualmente sobre muestras compactadas al contenido de
humedad óptima para el suelo específico” (Bowles, p. 190)
37
Marco Conceptual
California Bearing Ratio (CBR): Es un parámetro mecánico fundamental para el diseño de
pavimentos, que “mide de manera indirecta en el suelo una resistencia al corte (penetración) y/o
rigidez (esta última propiedad a través de la relación entre una carga y el desplazamiento)”.
(Rondon & Reyes, 2015, p. 351)
Cisco: “La película que cubre la almendra de café (endospermo). Esta es retirada
generalmente en el proceso de trilla”. (Federacion Nacional de Cafeteros Colombia, 2018)
Estabilización: “Modificar las propiedades del material existente para hacerlo capaz de
cumplir en mejor forma los requisitos deseados o, cuando menos, que la calidad obtenida sea
adecuada”. (Montejo , 2006, p.75)
Granulometría: “El conocimiento de la composición granulométrica de un suelo grueso sirve
para discernir sobre la influencia que puede tener en la densidad del material compactado. El
análisis granulométrico se refiere a la determinación de la cantidad en por ciento de los diversos
tamaños de las partículas que constituyen el suelo. [...] Para clasificar por tamaños las partículas
gruesas el procedimiento más expedito es el del tamizado. Sin embargo, al aumentar la finura de
los granos el tamizado se hace cada vez más difícil, teniendo entonces que recurrir a
procedimientos por sedimentación”. (Crespo, 1998, p.p 45-46)
Límite de contracción: “El Límite de Contracción (L.C.) de un suelo se define como el
porciento de humedad con respecto al peso seco de la muestra, con el cual una reducción de agua
no ocasiona la disminución en el volumen del suelo”. (Crespo, C., p.p. 80-81)
38
Límite líquido: “El límite líquido se define como el contenido de humedad expresado en por
ciento con respecto al peso seco de la muestra, con el cual el suelo cambia del estado líquido al
plástico”. (Crespo, 1998, p.70)
Límite plástico: “El Límite Plástico (L.P.) se define como el contenido de humedad,
expresado en por ciento con respecto al peso seco de la muestra secada al horno, para el cual los
suelos cohesivos pasan de un estado semisólido a un estado plástico”. (Crespo, 1998, p.p.76-77)
Plasticidad: “La plasticidad es la propiedad que presentan los suelos de poder deformarse,
hasta cierto límite, sin romperse. Por medio de ella se mide el comportamiento de los suelos en
todas las épocas. Las arcillas presentan esta propiedad en grado variable”. (Crespo, 1998, p.69)
Prueba de Proctor o estándar de compactación: “La prueba de Proctor se refiere a la
determinación del peso por unidad de volumen de un suelo que ha sido compactado por un
procedimiento definido para diferentes contenidos de humedad. Esta prueba tiene por objetivo:
o Determinar el peso volumétrico seco máximo ρmáx que puede alcanzar un material,
así como la humedad óptima ꙍo a que deberá hacerse la compactación.
o Determinar el grado de compactación alcanzado por el material durante la
construcción o cuando ya se encuentran construidos los caminos, [...] relacionando el
peso volumétrico obtenido en el lugar con el peso volumétrico máximo Proctor”.
(Crespo, 1998, p.102)
Suelo: “Suelo es una delgada capa sobre la corteza terrestre del material que proviene de la
desintegración y/o alteración física y/o química de las rocas y de los residuos de las actividades
de los seres vivos que sobre ella se asientan”. (Crespo, 1998, p.18)
39
Tipos de muestra de suelo: “Las muestras pueden ser de dos tipos: alteradas o inalteradas. Se
dice que una muestra es alterada cuando no guarda las mismas condiciones que cuando se
encontraba en el terreno de donde procede, e inalterada en caso contrario”. (Crespo, 1998, p.29)
Marco Legal
El Instituto Nacional de Vías pone a nuestra disposición las especificaciones generales de
construcción de carreteras y las normas de ensayos para materiales de carreteras del 2013, las
cuales que serán necesarios para el desarrollo de esta investigación. Las normas que se tuvo en
cuenta se observan en la Tabla 12.
Tabla 12 Normas INVIAS -13 empleadas
Norma INVIAS Descripción
I.N.V. E
– 121-13
Determinación del
contenido orgánico de un
suelo mediante el ensayo de
perdida por ignición
Esta norma permite determinar el contenido de material
orgánico de un suelo en un lapso de 6 horas en una mufla a
445ºC, mediante el ensayo de pérdida de ignición.
I.N.V. E -
123-13
Determinación de los
tamaños de las partículas de
los suelos
Esta norma permite determinar de forma cuantitativa la
distribución de los tamaños de las partículas de un suelo. La
distribución de las partículas mayores a 75 µm (Retenidas en el
tamiz No. 200) se determina por tamizado, mientras que la
distribución de los tamaños de las partículas menores de 75µm
se determina por medio de hidrómetro (proceso de
sedimentación).
I.N.V. E -
125-13
Determinación del límite
líquido de los suelos Esta norma permite determinar el límite líquido en suelos.
I.N.V. E -
126-13
Límite plástico e índice de
plasticidad de los suelos
Esta norma describe el procedimiento que se lleva a cabo para
determinar el límite plástico y el índice de plasticidad de los
suelos.
40
Norma INVIAS Descripción
I.N.V. E -
128-13
Determinación de la
gravedad específica de las
partículas sólidas de los
suelos y del llenante
mineral, empleando un
picnómetro con agua
Este ensayo se utiliza para determinar la gravedad específica de
los suelos que pasan el tamiz de 4.75 mm (No. 4) y del llenante
mineral de las mezclas asfálticas (filler), por método del
picnómetro.
I.N.V. E -
141-13
Relaciones de humedad -
peso unitario seco en los
suelos (Ensayo normal de
compactación):
Los siguientes métodos de ensayo permiten determinar la
relación entre la humedad y el peso unitario seco de los suelos
(curva de compactación) compactados con un martillo de 24.5
N (5.5 lbf) que cae libremente desde una altura de 305 mm
(12”) en un molde de 101.6 o 152.4 mm (4 o 6”) de diámetro,
esto con el fin de obtener una energía de compactación
aproximada de 600 kN-m/m3 (12400 lbf-pie/pie3).
I.N.V. E -
148-13
CBR de los suelos
compactados en el
laboratorio
Esta norma describe el procedimiento de ensayo para la
determinación de un índice de resistencia de los suelos de
subrasante, subbase y base, denominado CBR (California
Bearing Ratio); este método de ensayo principalmente se
emplea para la evaluación de la resistencia de materiales que
contengan tamaños máximos de partículas de menos de 19 mm
(¾”).
I.N.V. E -
605 - 13
Resistencia a la compresión
inconfinada de mezclas
compactadas de suelo cal
Esta norma describe el proceso de preparación y obtención de la
resistencia inconfinada de suelos estabilizados o en los cuales se
haya utilizado cal.
Fuente: Elaboración propia
Por otro lado, se optó por realizar un ensayo que permitiera determinar la composición
química de la ceniza de cascarilla de café, es por ello que se dio lugar a la siguiente norma (Tabla
13):
41
Tabla 13 Norma ISO -2015 empleada en la investigación
NORMA ISO DESCRIPCIÓN
ISO
13196
-2015
Espectrometría de
fluorescencia de rayos X
Esta norma permite describir el procedimiento, equipos
y controles que se deben tener en cuenta para la
caracterización química mediante espectrometría de
fluorescencia de rayos X de energía dispersa utilizando
un instrumento de mano o portátil.
Fuente: Elaboración propia
Metodología
Tipo de investigación
El proyecto de investigación es definido como tesis experimental, debido al desarrollo de
actividades investigativas, metodológicas y técnicas, permitiendo la recopilación de información
y la evaluación del comportamiento del suelo arcillo-limoso con la ceniza de cascarilla de café
por medio de las normas del Instituto Nacional de Vías INVIAS del año 2013.
Hipótesis
La adición de ceniza de cascarilla de café incide en la relación de soporte y resistencia a la
compresión en un suelo arcillo-limoso. Estudio realizado en el segundo semestre del año 2018 en
la vereda Liberia en el Municipio de Viotá – Cundinamarca.
Tabla 14 Variables dependientes e independientes
Nombre Convención Tipo de variable
Ceniza de cascarilla de café CCC Independiente
Suelo arcillo-limoso natural S0C Independiente
Porcentaje de agua H2O Independiente
Análisis granulométrico por tamizado GtCCC
Dependiente GtS0C
42
Nombre Convención Tipo de variable
Análisis granulométrico por hidrómetro GhCCC
Dependiente GhS0C
Límite líquido
LLS0C
Dependiente LLS4C
LLS6C
LLS8C
Límite plástico
LPS0C
Dependiente LPS4C
LPS6C
LPS8C
Gravedad específica GsCCC
Dependiente GsS0C
Contenido orgánico MoCCC
Dependiente MoS0C
Contenido óptimo de humedad
ꙍoS0C
Dependiente ꙍoS4C
ꙍoS6C
ꙍoS8C
Densidad seca máxima
γdS0C
Dependiente γdS4C
γdS6C
γdS8C
Relación de soporte
CBRS0C
Dependiente CBRS4C
CBRS6C
CBRS8C
Resistencia a la compresión
σS0C
Dependiente σS4C
σS6C
σS8C
Fluorescencia rayos x Fx Dependiente
Fuente: Elaboración propia
43
Diseño experimental
Primera fase: Recopilación de información y materiales
Se realizó la recopilación de información entorno a la estabilización de un suelo con ceniza
para con ello obtener un fundamento teórico que permita emplearse como guía para el desarrollo
de esta investigación. De igual forma fue necesario buscar datos relevantes al sitio de estudio
para determinar y definir el diseño exploratorio, con el fin de realizar la extracción del suelo en
la vereda Liberia en el municipio de Viotá Cundinamarca y la obtención de la CCC.
Segunda fase: Caracterización de la ceniza
Se analizó la ceniza de cascarilla de café realizando ensayos de plasticidad, contenido de
material orgánico, granulometría por tamizado e hidrómetro, ensayo de gravedad específica y
una prueba química denominada ensayo de fluorescencia de rayos x para obtener la composición
química de esta.
Tercera fase: Caracterización del suelo
Se realizó un análisis de las propiedades físicas y mecánicas del suelo arcillo-limoso natural
(S0C) con ayuda de los ensayos de clasificación tales como granulometría, límites de
consistencia, contenido de material orgánico y gravedad específica; y ensayos de resistencia
como lo es el estándar de compactación, California Bearing Ratio (CBR) y resistencia a la
compresión; esto para comparar el comportamiento del suelo al adicionar la CCC.
Cuarta fase: Mezcla de ceniza con suelo.
Para la determinación del porcentaje óptimo de ceniza de cascarilla de café en base a los
antecedentes recopilados se seleccionó porcentajes en peso de 4, 6 y 8% de CCC para el análisis
como estabilizante del suelo.
44
Se realizó la mezcla del suelo natural con los porcentajes propuestos obteniendo: suelo con
4% de CCC (S4C), suelo con 6% de CCC (S6C) y suelo con 8% de CCC (S8C). Para el análisis
de la incidencia de la ceniza en el suelo se realizaron los ensayos físicos de gravedad específica y
límites de consistencia; al igual que ensayos mecánicos tales como ensayo estándar de
compactación, California Bearing Ratio (CBR) y resistencia a la compresión, cada uno de estos
ensayos fue realizado teniendo en cuenta los parámetros y procedimientos de las normas para
ensayos de laboratorio del Instituto Nacional de Vías del año 2013.
Quinta fase: Documento final
Se llevó a cabo la interpretación de los resultados para su debido análisis determinando el
porcentaje óptimo de ceniza que cumple como función de estabilizante.
Plan de ensayos
Para la presente investigación se llevó a cabo el plan de ensayos descritos desde la Tabla 15
hasta la Tabla 17, en donde se exponen las normas empleadas y el número de repeticiones del
ensayo.
Tabla 15 Normas para la caracterización de la CCC
Norma Titulo CCC
INV. E 121-13 Determinación del contenido orgánico de un suelo mediante
el ensayo de perdida por ignición 3
INV. E 123-13
Determinación de los tamaños de las partículas de los suelos
(por tamizado) 3
Determinación de los tamaños de las partículas de los suelos
(por hidrómetro) 3
INV. E 125-13 Determinación del límite líquido de los suelos 3
INV. E 126-13 Límite plástico e índice de plasticidad de los suelos 3
45
Norma Titulo CCC
INV. E 128-13
Determinación de la gravedad específica de las partículas
sólidas de los suelos y del llenante mineral, empleando un
picnómetro con agua
3
ISO 13196 - 2015 Espectrometría de fluorescencia de rayos x 1
Fuente: Elaboración propia
Tabla 16 Normas para la caracterización del S0C
Norma Titulo S0C
INV. E 121-13 Determinación del contenido orgánico de un suelo mediante
el ensayo de perdida por ignición 3
INV. E 123-13
Determinación de los tamaños de las partículas de los suelos
(por tamizado) 3
Determinación de los tamaños de las partículas de los suelos
(por hidrómetro) 3
INV. E 125-13 Determinación del límite líquido de los suelos 3
INV. E 126-13 Límite plástico e índice de plasticidad de los suelos 3
INV. E 128-13
Determinación de la gravedad específica de las partículas
sólidas de los suelos y del llenante mineral, empleando un
picnómetro con agua
3
INV. E 141-13 Relaciones de humedad - peso unitario seco en los suelos
(Ensayo normal de compactación): 3
INV. E 148-13 CBR de los suelos compactados en el laboratorio 1
INV. E 605-13 Resistencia a la compresión inconfinada de mezclas
compactadas de suelo cal 3
Fuente: Elaboración propia
46
Tabla 17 Ensayos realizados a las mezclas de suelo-ceniza
Norma Titulo S4C / S6C / S8C
INV. E 125-13 Determinación del límite líquido de los suelos 3
INV. E 126-13 Límite plástico e índice de plasticidad de los suelos 3
INV. E 128-13
Determinación de la gravedad específica de las partículas
sólidas de los suelos y del llenante mineral, empleando un
picnómetro con agua
3
INV. E 141-13 Relaciones de humedad - peso unitario seco en los suelos
(Ensayo normal de compactación): 3
INV. E 148-13 CBR de los suelos compactados en el laboratorio 1
INV. E 605-13 Resistencia a la compresión inconfinada de mezclas
compactadas de suelo cal 3
Fuente: Elaboración propia
Procedimiento y resultados
Diseño exploratorio
Se realizaron cuatro (4) apiques distribuidos a lo largo del tramo de la vía en estudio que
comunica la vereda de Liberia con Las Brisas (zona de estudio) en el Municipio de Viotá –
Cundinamarca, a una distancia de aproximadamente 230m entre estos como se observa en la
Figura 9.
47
Figura 9. Distribución de apiques
Fuente: Google earth, 2019
El suelo fue extraído in situ, mediante muestras alteradas para ser procesadas en los
respectivos laboratorios. La profundidad de los apiques dependió del espesor de la capa vegetal
del suelo, es por ello se excavo aproximadamente 0.5m a 0.7m con referencia al nivel inferior de
dicha capa; por lo tanto se obtuvo una profundidad total de entre 0.6m y 0.9m como se observa
en la Figura 10, teniendo en cuenta que la presente investigación permite a la comunidad dar uso
al desecho de la ceniza de cascarilla de café como estabilizante del suelo.
48
Figura 10. Perfil estratigráfico del suelo
Fuente: Elaboración propia
El suelo extraído es suave al tacto, presenta granos finos, el color representativo de la muestra
corresponde a marrón amarillento y es capaz de adherirse fácilmente a cualquier superficie.
A las muestras se les realizo el ensayo de límites de consistencia y granulometría con el fin de
identificar la homogeneidad del suelo a lo largo del tramo vial. Para lo cual se obtuvo una baja
dispersión en los datos, por lo tanto se concluyó que el comportamiento del suelo era
homogéneo.
Determinación del contenido orgánico de un suelo mediante el ensayo de pérdida de
ignición INV. E. 121 –13
El contenido orgánico del suelo se calculó mediante el método de perdida por ignición, por lo
tanto se dejó una muestra no menor a 100g de material secando en el horno a 110°C hasta que se
tuvo una masa constante.
49
Figura 11 Mufla con muestra a 445°C
Fuente: Elaboración propia
Al cabo, se seleccionó 40g del material y en un crisol se llevó a la mufla a 445°C durante 6
horas, con el fin de eliminar todo el contenido de materia orgánica presente en la muestra. Los
valores obtenidos se observan en la Tabla 18.
Tabla 18 Contenido de materia orgánica
Muestra Material orgánico %
CCC I 4.2
CCC II 4.4
CCC III 3.8
S0C I 5.5
S0C II 4.9
S0C III 5.1
Fuente: Elaboración propia
Determinación de los tamaños de las partículas de los suelos INV. E. 123 –13
Análisis por medio de tamizado
Inicialmente se usa una fracción de suelo húmedo y se llevó al horno a 110 °C durante 24
horas para que este alcanzara una masa constante (eliminar el contenido de agua) y
50
posteriormente utilizando las partículas de mayor tamaño presentes en el suelo se determinó el
tamaño máximo nominal del suelo natural en este caso correspondiente a ¾ de pulgada.
Teniendo en cuenta el tamaño máximo nominal se tomó una muestra mínima de 1000g de
material seco. Conociendo esto se procedió al cuarteo del material anteriormente secado en el
horno, para la obtención de la muestra que sería analizada.
Figura 12 Cuarteo del material y proceso de lavado del material
Fuente: Elaboración propia
Esta muestra de suelo no menor a 1000g se somete a un lavado por el tamiz No. 200 para
obtener la cantidad de material fino presente; para esto fue necesario dejar el material 24 horas
en remojo para de esta manera suavizar las partículas y hacer el proceso de lavado mucho más
sencillo. Al cabo del lavado el material restante, es decir el retenido por el tamiz 200 se debe
llevar al horno nuevamente a 110 °C.
El material seco se pasó por una secuencia de tamices completa que permitió obtener una
curva granulométrica detallada: para este caso se utilizó los tamices ¾”, 3/8”, #4, #10, #20, #40,
#60, #80, #100 y #200.
51
Figura 13 Tamices para granulometría
Fuente: Elaboración propia
Análisis por medio de hidrómetro
Para completar la curva granulométrica es necesario el análisis granulométrico por
hidrómetro, para esto se utilizaron 50g de suelo pasa tamiz No. 200 como lo indica la norma en
el caso de tener una arcilla-limosa. Este material se dejó aproximadamente 16 horas en una
solución de 125 ml de agua destilada con 5g de hexametafosfato de sodio (relación de 40g por
litro de agua).
52
Figura 14 Proceso de mezclado de la solución de hexametafosfato con el suelo
Fuente: Elaboración propia
En un aparato agitador se mezcló la solución durante 1 minuto y se vertió en el hidrómetro
completando con agua destilada hasta la marca de 1000ml; luego se tapó la abertura del
hidrómetro para así agitar este durante 60 segundos más. Finalmente se tomaron las lecturas en el
hidrómetro 152 H a los 2, 5, 15, 30, 60, 250 y 1440 minutos.
Con las lecturas determinadas por el hidrómetro se calculó el porcentaje de suelo en
suspensión además del tamaño de las partículas para complementar de esta manera la curva
granulométrica detallada.
Figura 15 Hidrometría
Fuente: Elaboración propia
53
Se realizó 6 ensayos de granulometría, de los cuales 3 corresponden al suelo y los restantes a
la ceniza. En la Tabla 19 se presenta el promedio de los datos obtenidos en la granulometría del
suelo para su respetivo análisis. Por otro lado la Tabla 20 contiene la granulometría de la ceniza
de cascarilla de café. (Ver anexo B)
Tabla 19 Granulometría del suelo S0C
Tamaño tamiz Pasa
(-) Mm %
3/4" 19.1 100.0
3/8" 9.5 99.4
No. 4 4.8 98.6
No. 10 2.0 97.7
No. 20 0.9 97.3
No. 40 0.4 96.9
No. 60 0.3 95.5
No. 80 0.2 95.4
No. 100 0.2 93.3
No. 200 0.1 83.7
Hidrómetro
0.0317 70.3
0.0207 64.0
0.0122 59.3
0.0088 53.0
0.0064 48.3
0.0032 41.3
0.0014 34.3
Fuente: Elaboración propia
Tabla 20 Granulometría de la ceniza de cascarilla de café
Tamaño tamiz Pasa
(-) mm %
No. 8 2.36 100.0
No. 20 0.85 92.2
No. 40 0.425 74.7
No. 60 0.25 65.6
54
Tamaño tamiz Pasa
(-) mm %
No. 80 0.18 53.1
No. 100 0.15 43.0
No. 200 0.075 18.9
Hidrómetro
0.0332 4.9
0.0211 4.5
0.0123 4.1
0.0087 3.8
0.0062 3.2
0.0031 2.6
0.0013 2.2
Fuente: Elaboración propia
Límites de consistencia INV. E 125-126 – 13
Determinación del límite líquido de los suelos INV. E. 125 -13
Para determinar el límite líquido del suelo en estudio, se empleó el procedimiento descrito en
la norma Invías 125 del año 2013, la cual plantea dos métodos de aplicación; para esta
investigación se optó por el método A (o multipunto) el cual consiste en un ensayo de varios
puntos, permitiendo así una mejor precisión de los datos.
El límite líquido es determinado aumentando la humedad del suelo progresivamente (tres
puntos) hasta que se adquiera una consistencia tal que el número de golpes requeridos sea para el
primer punto de 25 - 35, el segundo punto entre 20 - 30 y el tercer punto entre 15 - 25 golpes
para los cuales la pasta de suelo se ponga en contacto en el fondo de la ranura a lo largo de una
distancia de aproximadamente 13mm (1/2”) como se observa en la Figura 16.
55
Figura 16 Ranura formada y ranura al cerrar los 13mm
Fuente: Elaboración propia
Se registró el número de golpes requerido para cerrar la ranura al cabo de varios ensayos de
contenidos de agua sucesivamente mayores (método A o multipunto). Se tomó una muestra de la
parte en la cual hizo contacto la pasta de suelo y se tomaron los pesos antes y después de dejarse
en el horno a una temperatura de 110°C.
Figura 17 Muestras límite líquido
Fuente: Elaboración propia
56
Con lo estipulado en este documento el ensayo se realizó a la Ceniza de Cascarilla de Café, al
suelo natural (S0C) y sus diferentes proporciones: S4C, S6C y S8C teniendo en cuenta el
procedimiento descrito y el plan de ensayos que indica tres repeticiones.
Tabla 21 Número de golpes y contenido de humedad
Datos límite líquido
Descripción Und. Repetición
1 2 3
S0C
I Golpes (-) 32 25 17
Humedad % 36.65 38.42 40.68
II Golpes (-) 35 25 18
Humedad % 37.59 39.45 41.93
III Golpes (-) 33 21 16
Humedad % 37.65 40.45 41.90
S4C
I Golpes (-) 34 21 15
Humedad % 36.75 39.37 41.90
II Golpes (-) 32 24 16
Humedad % 37.17 39.09 44.00
III Golpes (-) 32 23 15
Humedad % 36.51 38.68 41.80
S6C
I Golpes (-) 32 21 15
Humedad % 37.16 40.17 41.86
II Golpes (-) 35 22 16
Humedad % 37.57 40.98 42.58
III Golpes (-) 34 20 16
Humedad % 36.08 39.75 40.72
57
Datos límite líquido
Descripción Und. Repetición
1 2 3
S8C
I Golpes (-) 30 23 17
Humedad % 37.31 39.93 40.95
II Golpes (-) 34 20 15
Humedad % 38.07 40.59 42.80
III Golpes (-) 34 20 15
Humedad % 36.70 39.69 41.24
Fuente: Elaboración propia
Los valores observados en la Tabla 21 son graficados como se indica en la Figura 18 (ejemplo
del S0C I), y el valor correspondiente a 25 golpes el cual nos indica el límite líquido del suelo
natural.
En donde: ꙍ hace referencia al contenido de humedad y N al número de golpes.
Figura 18 Límite líquido S0C I
Fuente: Elaboración propia
w = -6.324ln(N) + 58.651
34,00
35,00
36,00
37,00
38,00
39,00
40,00
41,00
42,00
1 10 100
Hum
edad
(%
)
Número de golpes
58
En el anexo C se pueden observar cada uno de los ensayos realizados al suelo, ceniza y a las
mezclas de suelo-ceniza con los cálculos y resultados correspondientes. Los resultados obtenidos
se observan en la Tabla 22.
Tabla 22 Límite líquido (%)
Límite líquido (%)
Ensayo CCC S0C S4C S6C S8C
I - 38 39 39 39
II - 40 39 40 40
III - 39 38 38 38
Fuente: Elaboración propia
Límite plástico e índice de plasticidad de los suelos INV. E. 126 -13
El límite plástico al igual que el límite líquido es empleado al material que pasa el tamiz de
425µm (No. 40); se tomó una pequeña cantidad de suelo con la que se formó rollos de 3.2mm
(1/8”) de diámetro. El límite plástico se obtuvo cuando el rollo presentó agrietamiento o
desmoronamiento.
59
Figura 19 Muestras de límite plástico (rollos de 3.2mm de diámetro)
Fuente: Elaboración propia
El ensayo fue realizado mediante el método manual, para cada uno fue necesaria la realización
de los rollos hasta que el recipiente contuvo entre 10 y 15g de suelo. Los resultados obtenidos
muestran el contenido de humedad para cada ensayo que consta de dos recipientes; donde el
límite plástico corresponde al promedio de sus humedades. En la Tabla 23 se observan los
resultados del ensayo de límite plástico realizado al suelo, ceniza y a las mezclas de suelo-ceniza;
y el anexo C contiene los datos y resultados obtenidos en el laboratorio para cada caso.
Tabla 23 Límite plástico (%)
Límite plástico (%)
Ensayo CCC S0C S4C S6C S8C
I - 21 21 22 20
II - 20 22 22 22
III - 21 22 22 22
Fuente: Elaboración propia
El índice de plasticidad es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico, la Tabla 24
muestra los resultados correspondientes.
60
Tabla 24 Índice de plasticidad (%)
Índice de plasticidad (%)
CCC S0C S4C S6C S8C
I - 17 18 17 19
II - 20 17 18 18
III - 18 16 16 16
Fuente: Elaboración propia
Determinación de la gravedad especifica de las partículas sólidas de los suelos y del llenante
mineral, empleando un picnómetro con agua INV. E. 128 -13
El material se clasificó como una arcilla-limosa, por lo tanto la norma indica que se deben
utilizar de 40 a 60g de suelo seco que pasen el tamiz #10. Inicialmente se debe pesar el
picnómetro de 500ml hasta la marca con el agua.
Figura 20 Proceso para la determinación de la gravedad especifica de las muestras
Fuente: Elaboración propia
El picnómetro lleno con agua se vació hasta ½ de su cuerpo principal, empleando un embudo
se agregó el material, se agito hasta formar una lechada y con un frasco lavador se limpió lo
residuos de las paredes del picnómetro.
61
Al cabo de esto se agregó agua el picnómetro hasta la marca volumétrica y se procedió a la
eliminación de vacíos que puede realizarse por dos métodos: ebullición o bomba de vacío; para
este caso se utilizó la bomba de vacío por la precisión y ejecución del ensayo. Con ayuda de una
manguera la bomba extrajo los vacíos presentes que hacen disminuir el nivel en el picnómetro,
por lo tanto fue necesario agregar agua hasta la marca.
El ensayo de gravedad específica fue realizado a la ceniza, al suelo natural S0C y a las
mezclas suelo-ceniza, con el fin de identificar la incidencia de la ceniza sobre el suelo. Los
resultados de cada uno de los ensayos se observan en el anexo D, de igual forma la Tabla 25
resume las gravedades específicas obtenidas.
Tabla 25 Gravedad especifica
Muestra Gravedad especifica
CCC 2.95
S0C 2.47
S4C 2.50
S6C 2.51
S8C 2.57
Fuente: Elaboración propia
Relaciones humedad – peso unitario seco en los suelos (ensayo normal de compactación)
INV. E. 141 -13
Este ensayo fue realizado al suelo natural (S0C) y a las mezclas de suelo ceniza (S4C, S6C,
S8C) con el fin de determinar la humedad óptima a la cual se tiene la densidad seca máxima del
suelo. Para ello se aumentó la humedad progresivamente en cada dosificación, para generar la
curva de compactación; teniendo dichas humedades se calculó la cantidad de agua para la
preparación del material, el cual se dispuso en un molde cilíndrico de 4” de diámetro y 6” de
altura por lo indicado en la norma Invias donde ya que ser el tamaño máximo nominal del suelo
62
de ¾” (todo el material pasa por el tamiz ¾”) y tener una fracción retenida en el tamiz 3/8" se
debe implementar el método B que indica el uso de este molde.
El material fue compactado en tres capas, cada una con la aplicación de 25 golpes con un
martillo de 25.4 N (12”), produciendo una energía de compactación de 600 𝐾𝑁𝑚/𝑚3 (12.400
𝑙𝑏𝑓 − 𝑝𝑖𝑒/𝑝𝑖𝑒3).
Figura 21 Ensayo estándar de compactación
Fuente: Elaboración propia
Los resultados obtenidos se observan en el anexo E, en donde se evidencian las curvas de
compactación para cada uno de los ensayos y sus respectivos valores de humedad óptima y
densidad seca máxima. La Tabla 26 resume los resultados obtenidos en los ensayos, (tomándose
un promedio por dosificación).
63
Tabla 26 Humedad optima y densidad seca máxima
Muestra ꙍo γdmáx Sr
% kN/m3 %
S0C 16.63 15.96 93.13
S4C 20.33 15.54 95.76
S6C 21.67 15.29 96.06
S8C 22.83 15.24 96.11
Fuente: Elaboración propia
CBR de los suelos compactados en el laboratorio INV. E. 148 -13
Se prepararon las muestras para el CBR o relación de soporte con el valor de humedad optima
obtenida en el ensayo estándar de compactación. Se calculó la cantidad de agua indicada para
llegar a la humedad óptima determinada (Tabla 26). Cada muestra se compactó en tres capas con
10, 25 y 56 golpes respectivamente en un molde de 6” de diámetro y 7” de altura, con un falso
fondo o disco espaciador de aproximadamente 2,4” de altura.
Figura 22 Ensayo relación de soporte
Fuente: Elaboración propia
A las muestras después de ser compactadas se les quitó el falso fondo para colocar dos pesas
sobre ellas simulando una sobrecarga de 4.54kg (10 lb) por 4 días en los cuales la muestra estuvo
sumergida, para medir la expansión del suelo empleando un deformímetro.
64
Al determinarse la expansión de cada muestra, se procedió al ensayo de penetración, para el cual
era necesario sacar las muestras del tanque y dejarlas escurrir para así poder aplicar la carga
sobre la muestra saturada, posteriormente se aplicó una carga de 44 N (10lb) para que el pistón
asentara y luego de ello se montó el dial medidor para tomar la penetración del pistón (diámetro
de 49.6 mm), con una velocidad uniforme de 1.27mm (0.05”) por minuto. Los datos obtenidos
durante el ensayo se observan en el anexo F, mientras que la Tabla 27 hace un resumen de los
resultados.
Figura 23 Ensayo de penetración
Fuente: Elaboración propia
Tabla 27 CBR o relación de soporte y expansión por dosificación
Muestra CBR Expansión
% %
S0C 1.60 0.120
S4C 2.45 0.112
S6C 4.00 0.107
S8C 7.30 0.091
Fuente: Elaboración propia
65
Resistencia a la compresión inconfinada de mezclas compactadas de suelo cal INV. E. 605 -
13
Los cilindros obtenidos del ensayo estándar de compactación fueron empleados para dicho
ensayo de resistencia a la compresión inconfinada. Dichos cilindros se sometieron a tres
condiciones diferentes antes de la falla. Para cada una de las condiciones fue necesario dejar los
cilindros en un horno a 40°C durante 7 días.
Figura 24 Muestras en horno a 40°C
Fuente: Elaboración propia
La primera condición fue seca, en la cual los cilindros fueron fallados después de los 7 días en
horno. Para la segunda condición, al cabo del secado en el horno se procedió a dejar los cilindros
envueltos en plástico durante 4 horas dentro de un recipiente con agua con el fin que se saturaran
en su totalidad y luego fueron fallados.
66
Figura 25 Cilindro de muestra sumergido
Fuente: Elaboración propia
Para la tercera condición luego de los 7 días en el horno, los cilindros se colocaron sobre una
piedra porosa envueltos en un geotextil húmedo para que se realizara una infiltración por
capilaridad en un transcurso de 24 horas, antes de llevarse a la falla.
Figura 26 Infiltración por capilaridad
Fuente: Elaboración propia
67
Figura 27 Compresión inconfinada
Fuente: Elaboración propia
En la Tabla 28 se tiene los valores promedios de resistencia a la compresión inconfinada para
cada una de las muestras llevadas a la falla de las tres condiciones. En el anexo G se observan
los resultados y datos tomadas durante el ensayo.
Tabla 28 Resistencia a la compresión inconfinada
Muestra
Resistencia a la compresión
(MPa)
Relación
σh/σs Seco Infiltración
S0C 1.12 0.25 0.227
S4C 1.21 0.28 0.231
S6C 1.34 0.31 0.231
S8C 1.35 0.32 0.237
Fuente: Elaboración propia
Espectrometría de fluorescencia de rayos x ISO 13196 -2015
Para la determinación del contenido químico de la ceniza de cascarilla de café, fue necesario
someter una muestra de CCC al ensayo de espectrometría de fluorescencia de rayos x de la
68
Universidad Nacional de Colombia; en el que se realizaron unas pastillas de material que se
introducen en la máquina de fluorescencia la cual calcula el porcentaje (%) en peso de los
diferentes elementos y compuestos presentes en la CCC. Los resultados obtenidos en dicho
laboratorio se muestran en la Tabla 29
Tabla 29 Contenido químico de la CCC
Elemento y/o compuesto Formula química % en peso
Óxido de calcio CaO 49.15
Óxido de potasio K2O 16.44
Óxido de magnesio MgO 9.31
Trióxido de azufre SO3 6.52
Óxido de fósforo P2O5 5.30
Óxido de silicio SiO2 5.29
Trióxido de hierro Fe2O3 3.17
Trióxido de dialuminio Al2O3 2.02
Cloro Cl 0.80
Óxido de sodio Na2O 0.52
Óxido de manganeso MnO 0.43
Estroncio Sr 0.41
Bario Ba 0.28
Dióxido de titanio TiO2 0.19
Cobre Cu 0.10
69
Elemento y/o compuesto Formula química % en peso
Cinc Zn 0.05
Rubidio Rb 0.02
Fuente: Laboratorio interfacultades de fluorescencia de rayos x
Análisis de resultados
Determinación del contenido orgánico de un suelo mediante el ensayo de pérdida de
ignición INV. E. 121 –13
El ensayo se realizó a la CCC con un total de tres repeticiones en las que se obtuvo un
porcentaje de contenido orgánico promedio de 4.1%; mientras que en el suelo analizado es de
5.2% (ver anexo A), este porcentaje excede el permitido por la norma Invías que es del 0.1%
para suelos que serán estabilizados con cal, esto se debe a que la estabilización del suelo es
superficial y la zona al ser agrícola, cuenta con una capa superficial compuesta en su mayoría por
la tierra negra y/o raíces de plantas, arboles, entre otras.
Es por ello se considera un porcentaje acorde a las condiciones del terreno, por lo tanto se dio
paso al análisis de la ceniza de cascarilla de café en el suelo.
Determinación de los tamaños de las partículas de los suelos INV. E. 123 –13
El análisis granulométrico indicó que aproximadamente el 83.7% del suelo pasa por el tamiz
200, para lo cual es considerado como un suelo fino. El tamaño de partículas de menor tamaño
presente en el suelo es de 0.0014mm; de igual forma se identificó que el 60% de las partículas
(D60) corresponde a un tamaño aproximado a 0.013mm. Teniendo en cuenta la clasificación de
suelos en fracciones granulometrías del Massachusetts Institute of Technology observada en la
Tabla 30, el 60% de las partículas del suelo en estudio corresponden a limos medios (0.06 a
70
0.002 mm); sin embargo existen partículas de menor tamaño clasificadas como arcillas gruesas
(0.002 a 0.0006 mm).
Tabla 30 Calificación MIT de suelos en fracciones granulométricas
Clasificación M.I.T. de suelos en fracciones granulométricas
Piedras Mayores de 60 mm
Grava gruesa 60 a 20 mm
media 20 a 6 mm
fina 6 a 2 mm
Arena gruesa 2 a 0.6 mm
media 0.6 a 0.2 mm
fina 0.2 a 0.06 mm
Limo grueso 0.06 a 0.02 mm
medio 0.02 a 0.006 mm
fino 0.006 a 0.002 mm
Arcilla gruesa 0.002 a 0.0006 mm
media 0.0006 a 0.0002 mm
fina 0.0002 a 0.00006 mm
Coloides Menos de 0.00006 mm
Fuente: Nadal, J. (Noviembre de 1961). El suelo estabilizado, material de construcción. Informes de la
Construcción, 14(135).
71
Figura 28 Granulometría del suelo
Fuente: Elaboración propia
La granulometría de la ceniza de cascarilla de café observada en la Figura 29 muestra que el
18.9% de esta pasa por el tamiz No. 200. Se obtuvo un coeficiente de uniformidad menor a 6 por
lo que se considera que el material está mal gradado, esto se evidencia en la gráfica, debido a que
presenta uniformidad en el tamaño de sus partículas. (ver anexo B)
Con base a investigaciones realizadas (De La Pared, 2013) se busca que las cenizas empleadas
como estabilizantes presente comportamiento similar al cemento pero en menor escala, el cual
tiene una finura tal que el tamaño de sus partículas es menor a 0.075mm (pasa tamiz No. 200);
sin embargo este estudio busca aprovechar al máximo la CCC, por lo cual se optó por emplear
aquellas partículas con tamaño menor a 0.15mm (pasa tamiz No. 100) que representan un 43%
de la muestra total de la CCC.
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
0,0010,010,1110100
% P
asa
Tamaño tamiz (mm)
72
Figura 29 Granulometría de la CCC
Fuente: Elaboración propia
Límites de consistencia INV. E 125-126 – 13
La carta de plasticidad de Casagrande y la AASTHO son métodos gráficos para la
clasificación de suelos finos, es por ello que se analizó los valores correspondientes a los límites
líquidos, plásticos e índices de plasticidad del suelo natural S0C y las dosificaciones S4C, S6C y
S8C, observados en la Tabla 22, Tabla 23 y Tabla 24.
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
0,0010,010,1110100
% P
asa
Tamaño tamiz (mm)
73
Figura 30 Carta de plasticidad S0C
Fuente: Elaboración propia
Figura 31 Clasificación AASTHO S0C
Fuente: Elaboración propia
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60
Índ
ice
de
pla
stic
idad
, IP
(%
)
Límite líquido, LL (%)
CL-ML
CL
o
OL
CH
o
OH
ML
o
OL
MH
o
OH
0
10
20
30
0 10 20 30 40 50
Índ
ice
de
pla
stic
idad
, IP
(%
)
Límite líquido, LL (%)
A-7A-6
A-4
A-7-6
A-7-5
A-5
74
La Figura 30 representa los valores de plasticidad del suelo natural o S0C, en donde se
observa que las tres repeticiones del ensayo oscilan entre 38-40% para LL y 17-20% para índice
de plasticidad. Por lo tanto la carta de plasticidad (Figura 30) nos indica que corresponde a un
CL o “arcilla de baja a media plasticidad, arcillas limosas, arcillas pobres” (Crespo, 1998).
Para la clasificación AASTHO del suelo natural (S0C), la Figura 31 indica que los valores se
encuentran en el área del suelo correspondiente a A-6; el cual hace referencia a un suelo
arcilloso.
Se calculó el índice de grupo empleando la ecuación (7), en donde 𝐹200 es el porcentaje que pasa
la malla No. 200, LL el límite líquido del suelo y PI el índice de plasticidad. Reemplazando la
ecuación, se obtuvo un índice de grupo para el suelo natural de 14. Das (2001) afirma que “entre
mayor es el valor del índice de grupo para un suelo, será menor el uso del suelo como subrasante.
Un índice de grupo de 20 o más indica un material muy pobre para ser usado al respecto”, esto
indica que el suelo puede usarse como subrasante pero la capa será de clasificación regular –
pobre (Das, 2001).
𝐺𝐼 = (𝐹200 − 35)[0.2 + 0.005(𝐿𝐿 − 40)] + 0.01(𝐹200 − 15)(𝑃𝐼 − 10) (7)
75
Figura 32 Carta de plasticidad S4C
Fuente: Elaboración propia
Figura 33 Clasificación AASTHO S4C
Fuente: Elaboración propia
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60
Índ
ice
de
pla
stic
idad
, IP
(%
)
Límite líquido, LL (%)
CL-ML
CL
o
OL
CH
o
OH
ML
o
OL
MH
o
OH
0
10
20
30
0 10 20 30 40 50
Índ
ice
de
pla
stic
idad
, IP
(%
)
Límite líquido, LL (%)
A-7
A-6
A-4
A-7-6
A-7-5
A-5
76
Figura 34 Carta de plasticidad S6C
Fuente: Elaboración propia
Figura 35 Clasificación AASTHO S6C
Fuente: Elaboración propia
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60
Índ
ice
de
pla
stic
idad
, IP
(%
)
Límite líquido, LL (%)
CL-ML
CL
o
OL
CH
o
OH
ML
o
OL
MH
o
OH
0
10
20
30
0 10 20 30 40 50
Índ
ice
de
pla
stic
idad
, IP
(%
)
Límite líquido, LL (%)
A-7
A-6
A-4
A-7-6
A-7-5
A-5
77
Figura 36 Carta de plasticidad S8C
Fuente: Elaboración propia
Figura 37 Clasificación AASTHO S8C
Fuente: Elaboración propia
Teniendo en cuenta los valores obtenidos en la Figura 30 (S0C) en comparación a los resultados
para las mezclas de suelo ceniza: S4C, S6C y S8C, se evidencia que el límite líquido se
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60
Índ
ice
de
pla
stic
idad
, IP
(%
)
Límite líquido, LL (%)
CL-ML
CL
o
OL
CH
o
OH
ML
o
OL
MH
o
OH
0
10
20
30
0 10 20 30 40 50
Índ
ice
de
pla
stic
idad
, IP
(%
)
Límite líquido, LL (%)
A-7A-6
A-4
A-7-6
A-7-5
A-5
78
encuentra en un intervalo de 38 a 40%; por otro lado el límite plástico varía entre 20 y 22%,
debido a esto el índice de plasticidad obteniendo va desde 16 a 20% como se observa de la
Figura 32 hasta Figura 37.
A su vez no existe una relación directa con el porcentaje de ceniza aplicado al suelo y los
resultados arrojados. Debido a esto se optó por la realización de los ensayos a mezclas de suelo
ceniza con porcentajes de 15 y 25, con el fin de identificar si la CCC incide en la plasticidad del
suelo a proporciones mayores (Tabla 31).
Tabla 31 Resultados límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad S15C y S25C
Muestra LL LP IP
% % %
S15C 39 20 19
S25C 39 21 18
Fuente: Elaboración propia
Figura 38 Carta de plasticidad S15C y S25C
Fuente: Elaboración propia
S15C
S25C
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60
Índ
ice
de
pla
stic
idad
, IP
(%
)
Límite líquido, LL (%)
CL-ML
CL
o
OL
CH
o
OH
ML
o
OL
MH
o
OH
79
Figura 39 Clasificación AASTHO S15C y S25C
Fuente: Elaboración propia
Analizando los resultados obtenidos en la Tabla 31, junto a la Figura 38 y Figura 39 los valores
de límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad en relación a las mezclas suelo-ceniza
iniciales (S4C, S6C, S8C) no presentan variación; por lo tanto se realizaron mezclas con mayor
porcentaje de ceniza para evidenciar si la CCC en altos porcentaje incide en la plasticidad del
suelo mostrados en la Tabla 32.
Tabla 32 Resultados límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad S50C, S100C y S200C
Muestra LL LP IP
% % %
S50C 38 26 12
S100C 37 30 7
S200C 34 29 5
Fuente: Elaboración propia
S15C
S25C
0
10
20
30
0 10 20 30 40 50
Índ
ice
de
pla
stic
idad
, IP
(%
)
Límite líquido, LL (%)
A-7
A-6
A-4
A-7-6
A-7-5
A-5
80
Figura 40 Carta de plasticidad S50C, S50C y S200C
Fuente: Elaboración propia
Figura 41 Clasificación AASTHO S50C, S100C y S200C
Fuente: Elaboración propia
S50C
S100CS200C
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60
Índ
ice
de
pla
stic
idad
, IP
(%
)
Límite líquido, LL (%)
CL-ML
CL
o
OL
CH
o
OH
ML
o
OL
MH
o
OH
S50C
S100C
S200C
0
10
20
30
0 10 20 30 40 50
Índ
ice
de
pla
stic
idad
, IP
(%
)
Límite líquido, LL (%)
A-7A-6
A-4
A-7-6
A-7-5
A-5
81
Figura 42 Relación índice de plasticidad y límite líquido con contenido de ceniza
Fuente: Elaboración propia
En la Figura 42 se observa la incidencia de la ceniza de cascarilla de café en el índice de
plasticidad y el límite líquido; Atterberg afirma que cuando un suelo presenta un índice de
plasticidad menor a 7, es considerado de baja plasticidad; cuando el índice de plasticidad está
comprendido entre 7 y 17 se dice que el suelo es medianamente plástico, y cuando el suelo
presenta un índice de plasticidad mayor de 17 se dice que es altamente plástico (Crespo, 1998).
Por lo tanto el suelo natural presente es altamente plástico, debido a que el IP es en promedio de
18%; de igual forma las mezclas de S4C, S6C, S8C, S15C y S25C; para las cuales el IP se
encuentra entre 17 y 19%, lo cual indica que no existe variación de dicho valor para estas
dosificaciones.
LL = 39.112e-7E-04(CCC)
R² = 0.7817
IP = 18.185e-0.007(CCC)
R² = 0.9193
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Po
rcen
taje
(%
)
Contenido de ceniza en proporción de peso (%)
L. Liquido I. Plasticidad.
82
Por otro lado, en las mezclas de S50C, S100C y S200C el índice de plasticidad disminuyó a
12, 7 y 5% respectivamente; esto indica que el suelo pasó de un estado altamente plástico a una
baja plasticidad por incidencia del contenido de CCC, permitiendo que el suelo sea capaz de
soportar deformaciones, no presente variaciones volumétricas, entre otras (Rico Rodriguez &
Del Castillo, 2001). Tanto el límite líquido como el índice de plasticidad presentan una tendencia
exponencial (R2=0.7813 y 0.9193 respectivamente), su comportamiento se ve expresado por las
ecuaciones observadas en la Figura 42.
Con los resultados obtenidos en los ensayos de granulometría y plasticidad, se procede al
cálculo de la actividad del suelo, empleando la siguiente ecuación:
𝐴 =𝐼𝑃
𝐹𝑟𝑎𝑐𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑎𝑟𝑐𝑖𝑙𝑙𝑎 (% < 2𝜇𝑚)
Reemplazando la ecuación se obtiene una actividad de 0.48; teniendo en cuenta que el Índice
de plasticidad del suelo es de 18% y la fracción de arcilla presente corresponde al 37.8%; este
valor nos indica el tipo de minerales arcillosos presentes; para este caso se tiene una actividad
baja con minerales caolinitas predominantes. Por otro lado la ceniza de cascarilla de café al ser
no plástica, no es posible calcular su actividad.
Determinación de la gravedad especifica de las partículas sólidas de los suelos y del llenante
mineral, empleando un picnómetro con agua INV. E. 128 -13
La gravedad específica de la ceniza de cascarilla de café obtenida es de 2.95, mientras que la
del suelo natural es 2.47. Según Braja (2009) los valores típicos de una arcilla deben estar en el
rango de 2.67 a 2.9, lo que nos indica que la Gs del suelo en estudio es más baja debido a que en
su composición presenta otros componentes.
83
Tabla 33 Rangos generales de Gs para varios suelos
Soil Type Range of Gs
Sand 2.63 - 2.67
Silts 2.65 - 2.7
Clay and silty clay 2.67 - 2.9
Organic soil Less than 2
Fuente: Braja M. Das. (2009). “Soil mechanics laboratory manual”. New York: Oxford University press,
Inc. (Pag 12- Ed 7).
Al mezclar la ceniza con el suelo a distintas dosificaciones, se identificó que a medida que se le
aumenta el porcentaje de ceniza la gravedad específica del suelo aumentaba como se observa en
la Figura 43 en donde existe una tendencia en los datos. De igual forma se realizó la prueba con
altos porcentajes de ceniza para identificar más detallado el comportamiento de la gravedad
especifica con respecto a la cantidad de CCC.
Figura 43 Gravedad específica de las muestras
Fuente: Elaboración propia
Gs = 2.5067e0.0007(CCC)
R² = 0.888
2,40
2,45
2,50
2,55
2,60
2,65
2,70
2,75
2,80
2,85
2,90
2,95
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Gra
ved
ad e
spec
ific
a (-
)
Contenido de ceniza en proporción de peso (%)
84
Relaciones humedad – peso unitario seco en los suelos (ensayo normal de compactación)
INV. E. 142 -13
La curva de compactación obtenida para cada uno de los ensayos representa la humedad que
posee la muestra de suelo y su peso seco; para la cual se identifica un peso unitario seco máximo
obtenido en la humedad óptima. De igual forma se observa la rama seca y la rama húmeda
representando los valores menores y mayores a la humedad óptima respectivamente.
A las muestras de suelo y suelo-ceniza se les aplicó una energía de compactación de 600kN-
m/m3 (dejando caer un martillo de 2.5kg a una altura de 30cm), en la Figura 44 se observa la
curva de compactación obtenida de la muestra S0C I para la cual se obtuvo una humedad óptima
de 16.7% con un peso máximo seco de 15.75kN/m3. Igualmente la Figura 47 muestra la curva de
compactación de la muestra S8C I en donde se obtuvo una humedad óptima de 21.9% y un peso
máximo seco de 15.45kN/m3.
85
Figura 44 Curvas de compactación S0C
Fuente: Elaboración propia
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
16,5
17,0
10,0 15,0 20,0 25,0
Yd
(kN
/m3)
Humedad (%)
13,0
13,5
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
16,5
17,0
10,0 15,0 20,0
Yd
(kN
/m3)
Humedad (%)
13,0
13,5
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
16,5
17,0
17,5
18,0
13,0 18,0 23,0
Yd
(kN
/m3)
Humedad (%)
86
Figura 45 Curvas de compactación S4C
Fuente: Elaboración propia
Figura 46 Curvas de compactación S6C
Fuente: Elaboración propia
13,0
13,5
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
16,5
17,0
12,0 17,0 22,0 27,0 32,0
Yd
(kN
/m3)
Humedad (%)
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
15,0 17,0 19,0 21,0 23,0 25,0
Yd
(kN
/m3)
Humedad (%)
14,5
15,0
15,5
16,0
16,5
14,0 16,0 18,0 20,0 22,0
Yd
(kN
/m3)
Humedad (%)
13,0
13,5
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
16,5
16,0 21,0 26,0
Yd
(kN
/m3)
Humedad (%)
13,0
13,5
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
19,0 21,0 23,0 25,0 27,0
Yd
(kN
/m3)
Humedad (%)
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
16,5
19,0 21,0 23,0 25,0 27,0
Yd
(kN
/m3)
Humedad (%)
87
Figura 47 Curvas de compactación S8C I
Fuente: Elaboración propia
Recopilando los datos obtenidos en las tres repeticiones de cada ensayo, se determinó una
humedad óptima y un peso máximo seco promedio por muestra como lo indica la Tabla 26, con
los que se identificó que a medida que aumenta el contenido de ceniza aumenta la humedad
óptima del suelo en un 37.3% y a su vez disminuye el peso máximo seco en un 4.5% con el
incremento de ceniza de 0 a 8% en peso, como se observa en la Figura 48 y Figura 49
respectivamente.
13,0
13,5
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
16,5
18,0 20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 30,0
Yd
(kN
/m3)
Humedad (%)
13,0
13,5
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
19,0 21,0 23,0 25,0 27,0 29,0 31,0
Yd
(kN
/m3)
Humedad (%)
13,5
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 30,0 32,0
Yd
(kN
/m3)
Humedad (%)
88
Figura 48 Humedad óptima
Fuente: Elaboración propia
Figura 49 Peso seco máximo
Fuente: Elaboración propia
De igual manera se evidencia en la Figura 50 que a medida que aumento la proporción en
peso de ceniza al suelo la saturación aumento pasando de 93.13% en el suelo natural hasta un
96.11% en el suelo con 8% de ceniza en peso.
ꙍopt = 0.7831(CCC) + 16.841
R² = 0.9878
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
0 1 2 3 4 5 6 7 8
ꙍo
pt
(%)
Contenido de ceniza en proporción de peso (%)
γdmáx = 15.934e-0.006(CCC)
R² = 0.9679
15
15,2
15,4
15,6
15,8
16
16,2
0 1 2 3 4 5 6 7 8
γdm
áx (
kN
/m3)
Contenido de ceniza en proporción de peso (%)
89
Figura 50 Saturación
Fuente: Elaboración propia
CBR de los suelos compactados en el laboratorio INV. E. 148 -13
El ensayo de relación de soporte se realizó en condición sumergida, debido a que la zona de
estudio presenta un clima cálido semi-húmedo, siendo dicho condición la más crítica. Se
procedió con un 95% de grado de compactación ya que la norma Invías en el capítulo 4
correspondiente a afirmados indica dicho valor. Este valor fue obtenido en la línea de tendencia
de los datos de CBR tomados en laboratorio (12, 25 y 56 golpes) como se muestra en la Figura
51 para la cual se lee el valor obtenido de peso unitario seco máximo correspondiente a la
humedad de equilibrio (óptima) en el ensayo estándar de compactación aplicando el 95% antes
mencionado; para así obtener el valor de CBR corregido de la muestra de suelo. Para el suelo
natural (S0C) se obtuvo un CBR corregido de 1.6% (Figura 51) y para la mezcla S8C se obtuvo
7.3% (Figura 52).
CCC = 6E-220e5.2712(Saturación)
R² = 0.9994
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
92,50 93,00 93,50 94,00 94,50 95,00 95,50 96,00 96,50Co
nte
nid
o d
e ce
niz
a en
pro
po
rció
n d
e p
eso
(%
)
Saturación (%)
90
Figura 51 CBR del suelo (95%)
Fuente: Elaboración propia
Figura 52CBR del suelo con 8% de CCC (S8C) (95%)
Fuente: Elaboración propia
En los resultados obtenidos en los laboratorios de CBR se evidenció que a medida que se
presenta un aumento en el porcentaje de ceniza se obtuvo una mejoría en el suelo aumentando su
CBR = 5.2625(γd) - 6.5544
R² = 0.9834
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
1,30 1,35 1,40 1,45 1,50 1,55 1,60 1,65 1,70
CB
R c
orr
egid
o (
%)
Densidad seca (g/cm3)
CBR = 38.659(γd) - 49.867
R² = 0.9164
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
1,30 1,35 1,40 1,45 1,50 1,55 1,60
CB
R c
orr
egid
o (
%)
Densidad seca (g/cm3)
91
CBR como se observa en la Figura 53 pasando de 1.6% a un 7.3% es decir aumento en un 356%
el CBR del suelo.
Figura 53 CBR de cada muestra
Fuente: Elaboración propia
Además de esto, se pudo identificar el comportamiento volumétrico del suelo al medir su
expansión, medida a las 96 horas posteriores a la inmersión, obteniendo como resultado una
disminución de la expansión a medida que aumenta el contenido de ceniza, tal como se observa
en la Figura 54, evidenciando una mejoría del 24% de expansión del suelo natural con respecto a
la mezcla que presenta mayor contenido de CCC (S8C).
CBR = 1.4229e0.185(CCC)
R² = 0.9357
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
0 1 2 3 4 5 6 7 8
CB
R (
%)
Contenido de ceniza en proporción de peso (%)
92
Figura 54 Expansión del suelo
Fuente: Elaboración propia
La relación del CBR con la humedad óptima se observa en la Figura 55 en donde el CBR
aumenta a medida que aumenta la humedad óptima de la muestra de suelo. Por otro lado en la
Figura 56 se muestra que el CBR aumenta a medida que disminuye el peso seco máximo.
Figura 55 Humedad optima vs CBR
Fuente: Elaboración propia
Δ = -0.0033(CCC) + 0.1222
R² = 0.8722
0,08
0,09
0,09
0,10
0,10
0,11
0,11
0,12
0,12
0,13
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Exp
ansi
ón (
%)
Contenido de ceniza en proporción de peso (%)
CBR = 0.0325e0.2265(ωopt)
R² = 0.8712
0
1
2
3
4
5
6
7
8
16 17 18 19 20 21 22 23 24
CB
R (
%)
Humedad optima (%)
93
Figura 56 Peso seco máximo vs CBR
Fuente: Elaboración propia
Por otro lado en la Figura 57 se muestra el comportamiento del CBR con respecto al índice de
plasticidad el cual no tiene ningún comportamiento debido a que como ya se indicó
anteriormente la plasticidad del suelo no es afectado con las proporciones de ceniza bajas.
Figura 57 Índice de plasticidad vs CBR
Fuente: Elaboración propia
CBR = 6E+12e-1.822(γdmáx)
R² = 0.8419
0
1
2
3
4
5
6
7
8
15,2 15,3 15,4 15,5 15,6 15,7 15,8 15,9 16
CB
R (
%)
Peso seco máximo (kN/m3)
IP = -0.0356(CBR) + 17.637
15
16
16
17
17
18
18
19
19
20
20
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Índ
ice
de
Pla
stic
idad
(%
)
CBR (%)
94
Resistencia a la compresión inconfinada de mezclas compactadas de suelo cal INV. E. 605 -
13
Con los cilindros obtenidos en el laboratorio estándar de compactación, se realizó el
laboratorio de resistencia a la compresión inconfinada, debido a que se aprovechó las muestras o
especímenes para simular tres condiciones diferentes en el suelo ya nombradas anteriormente en
el procedimiento del laboratorio.
En la Figura 58 se observa el aumento de la resistencia del suelo en condición seca (después
de 7 días en el horno) a medida que aumentó la cantidad de ceniza en el suelo, pasando de
1.15MPa a 1.35MPa, es decir aumento en un 20.5% su resistencia, afirmando así nuevamente
que la ceniza permite al suelo mejorar sus propiedades de resistencia y soporte; se observa que
existe una tendencia exponencial de la resistencia del suelo en condición seca en función del
contenido de ceniza en proporción de peso, cuya ecuación se presenta en la Figura 58.
Figura 58 Resistencia a la compresión inconfinada del suelo seco
Fuente. Elaboración propia
σ = 1.1169e0.0253(CCC)
R² = 0.9356
1
1,05
1,1
1,15
1,2
1,25
1,3
1,35
1,4
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Res
iste
nci
a (M
Pa)
Contenido de ceniza en proporción de peso (%)
95
Por otro lado en la Figura 59 se observa la resistencia a la compresión en la condición de
infiltración por capilaridad en el suelo, donde también se presenta un aumento en la resistencia
del suelo pasando de 0.25MPa para el suelo natural hasta 0.32MPa del suelo con 8% de CCC
(aumento del 25.9%); de igual forma se observa que existe una tendencia exponencial de la
resistencia del suelo en condición húmeda (infiltración por capilaridad) en función del contenido
de ceniza en proporción de peso, cuya ecuación se presenta en la Figura 59. En dicha condición
el suelo tiene menos resistencia, debido a la alta presencia de agua. La relación que presenta el
suelo en su condición seca y su condición de infiltración por capilaridad es aproximadamente de
0.23, como se observa en la Figura 60; donde se evidencia que el aumento de la dicha relación
entre resistencias es bajo.
Figura 59 Resistencia a la compresión inconfinada del suelo por infiltración
Fuente: Elaboración propia
σ = 0.2529e0.0302(CCC)
R² = 0.9721
0,20
0,22
0,24
0,26
0,28
0,30
0,32
0,34
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Res
iste
nci
a (M
Pa)
Contenido de ceniza en proporción de peso (%)
96
Figura 60 Relación resistencia seca sobre resistencia húmeda
Fuente: Elaboración propia
Espectrometría de fluorescencia de rayos x ISO 13196 -2015
La Tabla 29 muestra la composición química de la ceniza de cascarilla de café, para la cual se
evidencia que el mayor contenido se encuentra en el óxido de calcio, con un 49.15% de su peso
total. En la composición química del cemento el óxido de calcio o cal es el compuesto con mayor
presencia; es por ello que al tener mayor contenido de este compuesto y evidenciando su
similitud con el cemento y la cal, cuanta con gran importancia dentro del proceso de
estabilización de suelos.
De igual forma se presentan cantidades considerables de óxido de potasio, óxido de magnesio
con porcentaje de 16.44 y 9.31% respectivamente. Por lo otro lado el contenido de óxido de
silicio corresponde a un 5.29% en peso. Dichos datos tomados en el laboratorio se presentan en
el anexo H.
Relacion σH/σS = 0.2265e0.005x
R² = 0.8863
0,220
0,222
0,224
0,226
0,228
0,230
0,232
0,234
0,236
0,238
0 1 2 3 4 5 6 7 8
σH
/σS
(-)
Contenido de ceniza en proporción de peso (%)
97
Conclusiones
Se clasificó el suelo teniendo como resultado un suelo arcillo de baja plasticidad según la
clasificación SUCS, mientras que para la AASTHO es considerado un suelo arcilloso; su
gravedad especifica es de 2.47 y cuya composición granulométrica indica que es suelo fino
debido a que más del 50% de sus partículas pasan el tamiz No. 200. La ceniza de cascarilla de
café evaluada no posee plasticidad, cuenta con una gravedad especifica de 2.95, en cuanto a su
granulometría se identificó que posee en su mayoría partículas gruesas debido a que más del
50% de sus partículas tienen un diámetro mayor a 0.075mm, siendo en su mayoría residuos
provenientes del proceso de secado del café. Debido a esto se optó por tomar para este análisis la
ceniza que pasa el tamiz No. 100, ya que visualmente no se identificaban dichos residuos, la
composición química de la ceniza arrojó que el óxido de calcio es el compuesto con mayor
presencia en esta, lo cual es de gran importancia debido a que tanto el cemento como la cal son
elementos comúnmente empleados en la estabilización de suelos presentan dicho compuesto, que
permite una acción puzolánica, generando una alteración química que mejora las propiedades del
suelo como la plasticidad y/o la relación de soporte.
Al analizar la plasticidad del suelo combinado con la ceniza se evidenció que las
dosificaciones propuestas en esta investigación (4, 6 y 8% en peso) no presentan variación en la
plasticidad del suelo. Por otra parte la gravedad específica de la ceniza es mayor a la del suelo, lo
que influye en que a medida que se aumenta el porcentaje adición en peso de ceniza, aumenta la
gravedad específica del suelo llegando a pasar de 2.47 del suelo natural (S0C) hasta 2.56 del
suelo con 8% de proporción en peso de ceniza (S8C), este crecimiento gravedad especifica
presenta una tendencia ascendente es decir a mayor cantidad de ceniza mayor es su Gs cuya
fórmula se puede observar en la Figura 43. Además en el ensayo normal de compactación se
98
evidenció que a medida que aumenta la cantidad de ceniza aumenta de igual manera la humedad
óptima de la muestra pasando de 16.63% en el suelo natural hasta 22.83% en el suelo con 8% de
proporción en peso de la ceniza es decir un aumento del 37.3%, estó influyó inversamente en la
densidad seca máxima debido a que paso de 15.96kN/m3 a 15.24kN/m3, obteniéndose una
disminución del 4.5%. Por último la saturación del material presentó un aumento a mayor
proporción de ceniza; para la densidad seca máxima del suelo natural se obtuvo una saturación
del 93.13%, mientras que en el suelo con 8% de proporción en peso de ceniza su saturación paso
a ser de 96.11%.
Se analizó que la relación de soporte del suelo natural S0C fue de 1.6% al momento de
realizar su compactación por el método estándar donde se obtuvo una densidad seca máxima de
1.55g/cm3 y una humedad optima de 16.63%. La resistencia a la compresión inconfinada del
suelo varió dependiendo de su condición al momento de fallar la muestra. Para la muestra seca
(secado durante 7 días), se obtuvo una resistencia de 1.12MPa y para la condición húmeda
(infiltración por capilaridad) fue de 0.25MPa; esta disminución se debe a la presencia de agua en
la muestra.
Se evaluó que la ceniza de cascarilla de café aumentó la relación de soporte (CBR) pasando
de 1.6% para el suelo natural hasta 7.3% para un suelo con 8% de proporción en peso de la CCC
es decir un incremento del 356%; por lo tanto se nota un alto incremento en el índice de
resistencia del suelo arcillo-limoso, y en su expansión también presentó una mejora de 24% ya
que presentó una reducción en esta pasando de 0.120% en el suelo natural hasta 0.091% con la
adición en peso del 8%, estas condiciones se dan cuando el peso seco máximo es de 14.88g/cm3
con una humedad óptima de 22.83%. Para la resistencia a la compresión inconfinada se
evidencia que la adición de ceniza al suelo aumenta su resistencia en las dos condiciones
99
evaluadas, debido a que para la condición seca pasa de 1.12MPa (S0C) a 1.35MPa (S8C) es decir
mejoró en un 17.4%, y en la condición de infiltración por capilaridad aumento 28.0% ya que
pasa de 0.25MPa (S0C) a 0.32MPa (S8C).
Recomendaciones
En continuación con la presente investigación se recomienda tomar adiciones de ceniza de
cascarilla de café (CCC) mayores al 8% ya que como se evidenció a lo largo de este estudio, el
suelo presento un aumento en la relación de soporte y la resistencia a la compresión con la
adicción de tal compuesto (CCC) sin encontrarse un porcentaje óptimo.
Se sugiere realizar el ensayo correspondiente a CBR de finos con el fin de darle mayor
profundizar los análisis correspondientes al ensayo de relación de soporte al suelo arcillo-limoso
presente en la vereda de Liberia del municipio de Viotá-Cundinamarca.
Se recomienda realizar ensayos de resiliencia y de fatiga para evaluar otros comportamientos
geomecánicos, estos cuando ya se posea el porcentaje óptimo de la ceniza, con el fin de tener un
análisis más completo y detallado de la incidencia de la ceniza a este suelo.
Se aconseja analizar el comportamiento de las mezclas con adición de CCC en el tiempo y
determinar el comportamiento de durabilidad de estas mezclas ante diferentes agentes externos.
100
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