análisis de la relación de soporte y resistencia a la

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

____________________________________

Firma del jurado

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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


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 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 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




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.

https://www-sciencedirect-com/


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




Figura 1 Efecto de las cenizas en el índice de plasticidad






22

Figura 2 Efecto de las cenizas en el porcentaje de humedad óptima de compactación




Figura 3 Efecto de las cenizas en la densidad seca máxima






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



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





24

Figura 6 Efecto de las cenizas en la resistencia a la compresión inconfinada



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%

https://www-sciencedirect.com/

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.

http://repositorio.uniandes.edu.co/

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%



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



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%



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.


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.


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


σS0C

Dependiente σS4C

σS6C

σS8C

Fluorescencia rayos x Fx Dependiente


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


(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


3

ISO 13196 - 2015 Espectrometría de fluorescencia de rayos x 1


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


(por tamizado) 3


(por hidrómetro) 3



INV. E 128-13




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


46

Tabla 17 Ensayos realizados a las mezclas de suelo-ceniza

Norma Titulo S4C / S6C / S8C



INV. E 128-13




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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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)


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


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



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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


67

Figura 27 Compresión inconfinada


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


(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


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


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


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


Figura 31 Clasificación AASTHO S0C


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

(%

)


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





0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50 60

Índ

ice

de

pla

stic

idad

, IP

(%

)


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

(%

)


A-7

A-6

A-4

A-7-6

A-7-5

A-5

76





0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50 60

Índ

ice

de

pla

stic

idad

, IP

(%

)


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

(%

)


A-7

A-6

A-4

A-7-6

A-7-5

A-5

77





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

(%

)


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

(%

)


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


Figura 38 Carta de plasticidad S15C y S25C


S15C

S25C

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50 60

Índ

ice

de

pla

stic

idad

, IP

(%

)


CL-ML

CL

o

OL

CH

o

OH

ML

o

OL

MH

o

OH

79

Figura 39 Clasificación AASTHO S15C y S25C


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


S15C

S25C

0

10

20

30

0 10 20 30 40 50

Índ

ice

de

pla

stic

idad

, IP

(%

)


A-7

A-6

A-4

A-7-6

A-7-5

A-5

80

Figura 40 Carta de plasticidad S50C, S50C y S200C


Figura 41 Clasificación AASTHO S50C, S100C y S200C


S50C

S100CS200C

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50 60

Índ

ice

de

pla

stic

idad

, IP

(%

)


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

(%

)


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


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.


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


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 (-

)


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


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





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


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


Figura 49 Peso seco máximo


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

(%)


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)


89

Figura 50 Saturación


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%)


Figura 52CBR del suelo con 8% de CCC (S8C) (95%)


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


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 (

%)


92

Figura 54 Expansión del suelo


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


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 (

%)


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


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


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)


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


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)


96

Figura 60 Relación resistencia seca sobre resistencia húmeda


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

(-)


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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