Estabilización de suelos con Polvo de Horno de Cemento (CKD)

Héctor S. Rodríguez Ing. Civil Estructural, IET, Facultad de Ingeniería, Universidad de la República, Montevideo, Uruguay

Resumen

El polvo de horno de cemento (CKD) se genera como subproducto de la fabricación del cemento Pórtland. La creciente demanda de cemento a nivel mundial genera como resultado un enorme volumen de CKD residual, cuya eliminación es muy difícil y representa una amenaza para el medio ambiente. Para superar este problema, se están llevando a cabo investigaciones en diferentes partes del mundo para encontrar formas y medios económicos y eficientes de usar el CKD en diversas aplicaciones como estabilización de suelos, producción de cemento, pavimentos, estabilización de productos de desecho, agricultura y productos de cemento, etc.

En este informe se presenta una revisión bibliográfica acerca de las investigaciones existentes sobre el uso de CKD en la estabilización de suelos. La interacción de los CKD con un suelo determinado depende de las características químicas y físicas de los CKD. Las propiedades físicas y químicas del CKD varían significativamente de una planta a otra, según las características propias del proceso de producción, las materias primas y el proceso de recolección. Si bien se requiere del análisis particular del suelo y CKD a utilizar para una determinada aplicación, los resultados encontrados en la bibliografía plantean que el uso de polvo de horno de cemento como adición para la estabilización de suelos puede ser eficaz, e incluso puede ser competitivo frente materiales habituales de estabilización como los son la cal y el cemento Pórtland.

1. Introducción

El suelo en una localidad en particular puede resultar inadecuado, total o parcialmente, según los requerimientos técnicos de cada construcción. Por lo tanto, a la hora de construir se debe tomar una decisión básica, ya sea para: 1- aceptar el material del sitio tal como es, y diseñar en consecuencia; 2- remover el suelo del sitio y reemplazarlo por material prestaciones superiores; 3- alterar las propiedades del suelo existente para crear un nuevo material capaz de satisfacer mejor los requisitos de la obra en cuestión. La última opción, la alteración de las propiedades del suelo para cumplir con los requisitos específicos de la ingeniería, se conoce como mejoramiento del suelo. En ese sentido, el polvo de horno de cemento (CKD) se puede utilizar como alternativa a la cal, el cemento Pórtland y las cenizas volantes, para mejorar las propiedades de un suelo.

En los últimos años, la utilización de subproductos industriales en el tratamiento de suelos problemáticos tiene una gran demanda, ya que promueve una construcción más sostenible (Higashiyama et al., 2016; Shafabakhsh, 2014) y reduce los costos.

Los polvos de los hornos de cemento (CKD) son un subproducto industrial de la fabricación de cemento Pórtland. Son materiales particulados, secos, finamente divididos, que se extraen de un horno de cemento mediante los gases de escape y se capturan mediante el sistema de control de contaminación de aire del horno.

Los avances tecnológicos en el proceso de producción de cemento han dado como resultado una reducción sustancial en las cantidades de CKD generadas por tonelada de cemento. No obstante, en la mayoría de las plantas de

cemento, la eliminación de CKD es un problema económico y ambiental sustancial. El mejor y más simple uso del CKD es su reincorporación al ciclo de producción de clinker. Sin embargo, esto solo se puede hacer en acuerdo con las restricciones existentes sobre las concentraciones de álcalis y cloruros en el cemento; motivo por el cual la mayor cantidad de CKD todavía se desecha en vertederos. Explorar formas de hacer uso de los CKD como producto de valor agregado ha sido una gran preocupación, ya que lograr una mayor reducción en su generación será cada vez más difícil, debido a problemas técnicos relacionados con la eficiencia del proceso de producción de cemento y la creciente demanda de cemento a nivel mundial.

En general, los CKD son mezclas de partículas suspendidas en el aire de materias primas de cemento, componentes de cemento parcialmente procesados y componentes volátiles condensados en sus superficies. Varían en composición, pero la mayoría contienen sílice, carbonato de calcio y óxido de calcio (cal libre); muchos también contienen sulfatos y cloruros alcalinos y, a veces, otros componentes menores.

El CKD se puede utilizar como alternativa a la cal, el cemento Pórtland y las cenizas volantes, que a veces se utilizan en los proyectos de construcción. La utilización de CKD no solo es eficaz para mejorar la resistencia del suelo, sino que también ayuda a minimizar el costo del proceso de estabilización en comparación con la estabilización con cemento y cal (Ismail y Belal, 2016).

En el cementado que se utiliza a menudo para mejorar el suelo en las construcciones de transporte, el CKD es una alternativa eficaz al cemento. El CKD tiene características autocementantes que reaccionan con el suelo de una

manera similar al cemento Pórtland. Normalmente, el CKD tiene aproximadamente un tercio de la cantidad de óxidos de cemento (CaO, Al2O3, SiO2, Fe2O3) presentes en el cemento Pórtland.

Se han realizado varios estudios para investigar el uso del CKD como alternativa a los materiales tradicionales, tanto para el tratamiento de arcillas como de arenas.

2. Descripción del CKD

2.1. Características de la generación del CKD

ASTM C 150 define el cemento Pórtland como “cemento hidráulico producido pulverizando clinker que consiste esencialmente en silicatos cálcicos hidráulicos, que generalmente contienen una o más formas de sulfato cálcico como adición entre molidos”. Según PCA (1992), la fabricación de cemento es simplemente la conversión de óxidos de calcio y silicio en silicatos de calcio. Siendo los silicatos de calcio sus componentes principales, el cemento Pórtland se produce combinando materiales que contienen óxido de calcio, sílice, alúmina y óxido de hierro a altas temperaturas alrededor de 1450 °C. La producción de cemento Pórtland es generalmente un proceso de cuatro pasos: 1) adquisición de las materias primas 2) preparación de las materias primas; 3) piroprocesamiento de las materias primas para formar clinker de cemento Pórtland; y 4) trituración del clinker en cemento Pórtland. La Figura 1 ilustra esquemáticamente los pasos anteriores.

Las materias primas para la fabricación de cemento son una mezcla finamente molida de piedra caliza y arcilla que contiene aproximadamente 75% de carbonato de calcio, 15% de dióxido de silicio, 3% de óxido de aluminio y 2% de óxido de hierro. Los constituyentes menores, generalmente menos del 5% en peso de la mezcla, incluyen magnesio, azufre, sodio y potasio (Taylor, 1997).

Las materias primas deben mezclarse muy íntimamente antes de introducirlas en el horno. Con base en la preparación del material de alimentación antes de la calcinación, los hornos de cemento se clasifican como hornos de cemento de proceso húmedo u hornos de cemento de proceso seco. En los hornos de proceso húmedo que son generalmente más simples pero menos eficientes energéticamente, la materia prima se prepara en forma de una suspensión que contiene 30% a 40% de agua (Mehta et al., 1993). Las plantas de cemento modernas favorecen el proceso seco, que es más eficiente energéticamente que el proceso húmedo porque el agua utilizada en la mezcla debe evaporarse posteriormente antes de la operación de clinker. Un horno seco eficiente consumirá solo alrededor del 60% de la energía requerida para producir una tonelada de cemento en un horno típico de proceso húmedo (PCA, 1992).

Un avance posterior en la tecnología de los hornos de cemento es el horno precalentador/precalcinador, donde los combustibles se queman en el sistema de precalentamiento, justo antes del horno rotatorio. Aquí, el polvo de materia prima en movimiento se dispersa en una corriente de gas caliente procedente del horno. El calentamiento inicial a aproximadamente 800 °C se lleva a cabo en un precalenta-

Figura 1. Proceso de producción de cemento Pórtland (Corish et al, 1995).

dor utilizando el dióxido de carbono (CO2) liberado en la calcinación de la piedra caliza y los gases calientes procedentes de la combustión del combustible. Los combustibles de menor grado se pueden usar en un horno precalcinador porque las temperaturas requeridas para las calcinaciones son mucho más bajas que las temperaturas necesarias para fusionar los minerales en clinker.

Las materias primas bien homogeneizadas se introducen en el extremo superior de hornos rotatorios cilíndricos, hornos enormes que pueden variar en tamaño de 3,7 a 5,5 m de diámetro, 46 a 183 m de longitud y que giran a 1-4 revoluciones por minuto. Normalmente, la relación entre la longitud y el diámetro de los hornos varía entre 30:1 y 40:1. El horno está ligeramente inclinado (3-4%) y gira sobre su eje longitudinal. A medida que la mezcla cruda viaja por el horno, se calienta gradualmente hasta 1450 ºC en la zona de quemado.

Las materias primas se introducen en el extremo superior del horno mientras que los combustibles se queman en el extremo inferior. La ceniza de carbón pulverizada es el combustible más utilizado, aunque también se utilizan petróleo, gas natural, etc.

Diversas reacciones ocurren a medida que la materia prima se mueve a lo largo del horno a diferentes temperaturas. Las reacciones sucesivas en diferentes regiones del horno producen gránulos duros llamados clinker formados por fusión parcial de materias primas, típicamente de 320 mm de diámetro, que cuando se muelen con yeso y otros aditivos producen el polvo fino llamado cemento Pórtland.

El clinker típicamente tiene una composición química en el rango de 67% CaO, 22% SiO2, 5% Al2O3, 3% Fe2O3 y ̀ 3% de otros componentes (Taylor, 1997).

El material hidráulico piroprocesado se compone de cuatro fases principales de óxido: silicato tricálcico (C3S) (50-70%), silicato dicálcico (C2S) (15-30%), aluminato tricálcico (C3A) (5-10%) y aluminoferrita tetracálcica (C4AF) (5-15%). Otras fases, como los sulfatos alcalinos y el óxido de calcio, normalmente están presentes en cantidades menores.

A medida que el horno gira, las materias primas se mueven lentamente desde el extremo superior al inferior a una velocidad controlada por la pendiente y la velocidad de rotación del horno. En la parte más caliente del horno, el potasio, el sodio, el cloro y algunos otros elementos presentes en las materias primas o el combustible se volatilizan parcial o totalmente. No se permite que estos volátiles pasen al clinker. El oxígeno para la combustión es proporcionado por un rápido flujo de aire, que se mueve opuesto al flujo de la materia prima. El flujo de gas y la agitación continua de la alimentación cruda son de naturaleza turbulenta y dan como resultado que grandes cantidades de partículas de materiales sean arrastradas por los gases de combustión. Estos gases ascienden por el horno rápidamente, recogiendo a su paso materias primas, componentes de cemento parcialmente procesados y materiales volatilizados, conduciéndolos al extremo superior del horno.

El material particulado arrastrado (así como varios precipitados) constituye el polvo del horno de cemento (CKD por su sigla en inglés), que posteriormente se elimina de los gases de escape del horno mediante un equipo de control de contaminación del aire. La naturaleza y la cantidad de CKD producido depende en gran medida de la materia prima, el combustible utilizado, como así también del diseño y funcionamiento del horno de cemento. Los hornos de proceso seco modernos están equipados con un sistema de derivación de álcalis que elimina los cloruros y sulfatos alcalinos volatilizados del CKD y, por lo tanto, facilita su reciclaje de regreso al horno.

Abeln et al. (1993) definen el CKD como una “materia particulada fina que consiste de partículas arrastradas de clinker, materias primas crudas, materias primas parcialmente calcinadas y cenizas de combustible enriquecidas con sulfatos alcalinos, haluros y otros volátiles”. Las industrias cementeras generan millones de toneladas de polvo de hornos de cemento, como una medida para controlar la calidad del producto (clinker bajo en álcalis de materias primas altas en álcalis) y para asegurar el funcionamiento ininterrumpido de la planta (Kessler, 1995). Este polvo dependiendo de su composición (contenido de álcalis, sulfatos o cloruros) se recicla en el horno mezclándolo con la materia prima o con el combustible (insuflación). El factor principal que impide el retorno de más polvo a los hornos es la alta concentración de álcalis que poseen, lo que haría que el contenido de

álcalis del clinker supere los valores admitidos por los estándares de fabricación. Además, las altas concentraciones de volátiles desarrollan depósitos en las paredes del horno que pueden resultar en paradas frecuentes de la planta. Por lo tanto, las plantas de cemento generan CKD como un medio para eliminar álcalis volátiles, cloruros y sulfatos del sistema del horno (Kessler, 1995).

La naturaleza y la cantidad de CKD son sensiblemente afectadas por el diseño, la operación y los materiales utilizados en un horno de cemento. Por ejemplo, una planta de cemento que utilice materias primas y combustibles bajos en álcalis (potasio y sodio), bajos en cloro y azufre generará menores cantidades de CKD. Por otro lado, la CKD generada por producción intermitente normalmente tendrá niveles mucho más altos de álcalis, sales de metales volátiles y óxidos que la CKD generada por producción continua.

Aunque es difícil correlacionar directamente de manera cuantitativa la generación de polvo y el funcionamiento de la planta, la producción de CKD depende en gran medida del tipo de proceso y de la velocidad del gas en el horno (PCA, 1992). Otros factores, como el rendimiento del horno y el sistema de recolección de polvo, también juegan un papel fundamental. Dado que cada sistema de horno difiere notablemente en la superficie en contacto con el polvo y las velocidades del gas, la cantidad de CKD generada varía en consecuencia. Según Steuch (1992), la mayor cantidad de polvo se genera a partir de hornos secos largos en los que el polvo es removido mediante cadenas suspendidas y las velocidades del gas son altas. En contraste, en los hornos de precalentamiento, el volumen de alimentación es alto por lo que el contacto con los gases del horno es menor. Algunos de los hornos húmedos producen la menor cantidad de polvo, principalmente porque estos hornos generan la aglomeración del polvo en tamaños que son difíciles de transportar con los gases del horno, por tanto la generación de CKD se reduce. La Tabla 1 muestra los datos reportados en la literatura sobre el porcentaje de CKD generado por cada tipo de operación de horno. Los avances en el diseño de procesos, como los sistemas de precalentamiento y los calentadores de suspensión, facilitan el reciclaje a gran escala de CKD de regreso al horno y han dado como resultado una reducción significativa en la cantidad de CKD generada por tonelada de clinker.

La generación de CKD se estima en aproximadamente Tabla 1 Producción de polvo de horno de cemento de diferentes tipos de operación de planta (Steuch, 1992; Kesseler, 1995; Muller, 1997).

Steuch, 1992 Kesseler, 1995 Muller, 1997

Tipo de horno

Rango de CKD producido por materia prima procesada

(ton)

Tipo de horno

CKD producido (% de clinker producido)

Tipo de horno

Rango CKD producido (% de clinker producido)

Húmedo 0.05 - 0.40 Húmedo 11.5 Húmedo 10 - 25

Seco 0.25 - 0.40 Seco 10.5 Semi seco/ semi húmedo 0 - 3

Precalentador 0.10 - 0.15 Precalentador/ Precalcinador 4 Seco 7 - 15

30 millones de toneladas por año en todo el mundo (Dyer et al., 1999). Si bien los equipos modernos de recolección de polvo están diseñados para captar prácticamente todo el CKD, y gran parte de este material actualmente puede devolverse al horno, por diversas razones una parte significativa, en algunos casos hasta un 30% - 50% del polvo capturado, debe eliminarse como residuo industrial (Kessler, 1995; USEPA, 1998). Como resultado, en los Estados Unidos más de cuatro millones de toneladas de CKD que no son aptas para reciclar en el proceso de fabricación de cemento, requieren ser eliminadas anualmente (Todres et al., 1992). Esto constituye aproximadamente el 4,2% de las materias primas utilizadas por la industria del cemento (Nisbet, 1997).

2.2. Problemas ambientales asociados con el CKD

La generación de polvo de hornos de cemento no solo es responsable de una pérdida financiera significativa para la industria del cemento en términos de materias primas y manejo del CKD, sino también una fuente de preocupaciones ambientales.

La mayor preocupación y conciencia sobre la contaminación del aire limitó la descarga de CKD a la atmósfera para regular las emisiones futuras y justificó el uso de sistemas de recolección de polvo para proteger el medio ambiente. Como resultado, la práctica de eliminación de CKD cambió a verter estos desechos en un campo abierto o en una cantera, no en un relleno sanitario diseñado, con poca atención a los problemas ambientales que se enfrentarán más adelante. Hoy en día, la industria del cemento se enfrenta a un problema creciente de "almacenamiento" de los millones de toneladas de CKD que se recolectan cada año. Además del CKD que se produce actualmente, a lo largo de los años se han depositado o almacenado cantidades considerables de CKD y están disponibles en cantidades significativamente mayores que las CKD frescas.

3. Propiedades químicas

3.1. Composición química del CKD y su variabilidad

Aunque la composición química del cemento Pórtland ordinario de la mayor parte del mundo es notablemente consistente, y a pesar de que el CKD deriva de las mismas materias primas que el clinker Pórtland, se ha observado una variación significativa en la composición química y las

características físicas para CKD obtenidas de diferentes plantas.

Esta variabilidad se puede atribuir a diferencias en el tipo de operaciones del horno, la instalación de recolección de polvo (por ejemplo, se ha observado que el polvo recolectado de los hornos de precalcinación es típicamente más grueso, más calcinado, y concentrado con álcalis volátiles (Klemm, 1980)); la ubicación dentro del sistema donde se recolecta el polvo y el combustible utilizado (por ejemplo, se ha informado que los polvos de los hornos de gas o de petróleo contienen proporciones más altas de álcalis solubles en comparación con los de los hornos de carbón (Klemm, 1980)).

Una evaluación de la variabilidad en la composición química de la CKD fresca para 63 muestras diferentes documentadas en la literatura muestra que el CaO y el SiO2 son los componentes principales de todas las CKD (Sreekrishnavilasam y Santagata, 2006); la Tabla 2 muestra los valores estadísticos obtenidos. En general, los datos recabados indican que no existe un polvo de horno de cemento "promedio" y que se debe considerar que cada fuente de CKD tiene sus propiedades únicas. La variabilidad en la composición de la CKD y, en particular, el amplio rango de variación en el contenido de cal libre, resaltan la importancia de caracterizar completamente un CKD en particular antes de recomendar su uso como material de construcción.

Peethamparan et al. (2008) indican que los óxidos en los CKD pueden existir en varias fases mineralógicas, siendo la reactividad de estas fases significativamente diferente. En base a un estudio que realizaron, donde se analizó la composición química de cuatro tipos de CKD (Tabla 3) cada uno de distintas plantas cementeras, obtuvieron las fases minerales presentes en los CKD determinado por difracción de rayos X (XRD). En los cuatro CKD considerados en el estudio, el CaO analítico existía realmente en tres compuestos diferentes: CaCO3 (calcita), CaSO4 (anhidrita) y CaO libre (cal libre). El tipo y la cantidad de productos de hidratación que se forman durante la reacción de los CKD con el agua (como hidróxido de calcio, etringita, yeso, etc.) juegan un papel importante en la determinación de la eficacia de los CKD como estabilizadores del suelo. Ambos CKD con alto contenido de cal libre (CKD-1 y CKD-2) produjeron cantidades significativas de hidróxido de calcio (CH), etringita (E) y singenita (Sg) después de que se agregó agua. Además de estas fases, se encontró una cantidad significativa de yeso en el CKD-2 hidratado, en cambio en el CKD-1 solo se

Tabla 2 Valores estadísticos de composición química de CKD fresco (Sreekrishnavilasam y Santagata, 2006)

CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO SO3 Na2O K2O LOI CaO

Libre Total Álcali TRO HM

Valor medio 43,99 15,05 4,43 2,23 1,64 6,02 0,69 4,00 21,57 6,75 3,32 21,49 2,33 Desviación estándar 8,01 4,74 1,82 1,04 0,68 3,93 1,02 3,01 8,50 7,83 2,44 12,97 1,61 COV (%) 18 31 41 47 41 65 147 75 39 116 74 60 69 Máximo 61,28 34,30 10,50 6,00 3,5 17,40 6,25 15,30 42,39 27,18 11,42 56,08 13,91 Mínimo 19,40 2,16 1,09 0,24 0,54 0,02 0,00 0,11 4,20 0,00 0,14 1,86 0,53

encontraron trazas de yeso. También parece que toda la cal libre presente en los CKD se convirtió en hidróxido de calcio (CH) poco después de que se añadió agua, ya que la cantidad de CH permaneció casi igual, independientemente de la duración del período de curado. En el caso de CKD con bajo contenido de cal libre (CKD-3 y CKD-4), se formaron cantidades relativamente pequeñas de etringitas e hidróxidos de calcio.

3.2. Parámetros químicos y físicos para definir la reactividad de la CKD

Se acepta que la reactividad de cualquier material aglutinante, incluido el CKD, es función de su composición física y química. Si bien, en general, las reacciones y los productos asociados con la hidratación del CKD no se comprenden completamente, y es probable que varíen según el CKD que se esté considerando en particular, se han realizado esfuerzos para identificar algunos parámetros simples que pueden usarse para predecir la reactividad del CKD, en base a su composición de óxidos.

Dos parámetros empíricos que se han propuesto son el módulo de hidratación HM (Kamon y Nontananandh, 1991) y el contenido de óxido reactivo total TRO (Collins y Emery, 1983), definidos por las expresiones (1) y (2) respectivamente, donde CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, K2O Na2O y LOI son expresados en valores porcentuales. Es preciso tener en cuenta que los autores no recomiendan el uso del TRO para un contenido de álcali superior al 6%.

HM = CaO / (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) (1) TRO = (CaO + MgO – LOI) – (K2O + Na2O) (2)

Tabla 3 Composición química de distintos CKD utilizados por Peethamparan et al. (2008).

Composición química por

XRF

CKD Cemento Pórtland Tipo 1

1 2 3 4 Peso (%)

SiO2 12,18 16,42 11,91 15,39 20,48 Al2O3 4,24 3,62 2,17 4,66 4,21 TiO2 0,22 0,23 0,15 0,57 0,36 P2O5 0,80 0,09 0,09 0,09 0,09 Fe2O3 1,71 2,31 2,08 2,34 2,41 CaO 46,24 55,00 46,05 37,35 63,19 MgO 1,24 2,68 2,20 2,10 4,00 Na2O 0,51 0,17 0,33 0,81 0,19 K2O 4,89 2,89 1,43 7,00 0,28 Na2O equiv. 3,72 2,05 1,27 5,36 0,37 Mn2O3 0,05 0,44 0,04 0,07 0,14 SrO 0,04 0,03 0,07 0,02 0,04 SO3 14,62 12,69 4,21 5,80 2,76 Cl 0,59 0,74 0,35 3,26 - LOI 14,22 3,92 29,36 27,65 1,76 CaO libre 13,85 29,14 5,32 3,26 1,58 Na2O soluble 0,28 0,06 0,12 0,59 0,04 K2O soluble 2,95 1,68 0,93 6,33 0,16

Sreekrishnavilasam y Santagata (2006), en base al análisis de 63 muestras diferentes de CKD fresca documentadas en la literatura y según las recomendaciones de Kamon y Nontananandh (1991) en cuanto a los límites recomendados del HM, sugieren que la validez del HM como indicador de la reactividad del CKD es discutible.

Collins y Emery (1983) realizaron un estudio para determinar la efectividad de reemplazar el polvo de horno (tanto CKD como polvo de horno de cal) en el sistema de estabilización de bases con cal y cenizas volantes, utilizando el TRO como indicador de la reactividad del CKD. Utilizando 20 muestras de distintos CKD con rango de TRO entre 13% y 37%, Collins y Emery (1983) mostraron una buena correlación entre el TRO y la resistencia a compresión inconfinada a los 7 días (Figura 2), en mezclas de CKD-ceniza volante (en relación 2:1). Basados en estos estudios propusieron que cuanto mayor sea el TRO de un CKD, mayor será la contribución potencial del CKD en términos de desarrollo de resistencia.

Bhatty et al. (1996) realizaron una comparación entre el TRO y el desarrollo de resistencia en suelos estabilizados con CKD utilizando datos del estudio realizado por McCoy y Kriner (1971) sobre el uso de CKD en la estabilización de suelos. Los datos representados en la Tabla 4 no muestran correlación entre la resistencia desarrollada y el TRO. De hecho, el CKD (C) con el TRO más alto produce la resistencia más baja. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la relación entre el TRO y la resistencia a la compresión para el suelo estabilizado con CKD y suelo estabilizado con cenizas volantes y CKD no necesita ser la misma ya que ambas involucran diferentes mecanismos.

En las Figura 3 y Figura 4 se grafica el TRO contra la pérdida por ignición (LOI) y el contenido de cal libre respectivamente, para las 63 muestras de CKD fresco cuyos datos fueron analizadas por Sreekrishnavilasam y Santagata (2006). Como se refleja en el coeficiente de correlación, existe una clara correlación entre el TRO y el contenido de cal libre. Estos datos apoyan la hipótesis de Collins y Emery (1983) de que un total de óxidos reactivos más alto significa un CKD con más fases reactivas.

3.3. Pérdida por ignición

En CKD la pérdida por ignición (LOI), es decir la pérdida de masa asociada con el calentamiento a ~ 950 ° C, es aportado por agua adherida químicamente, CO2 y carbono no carbonatado (Haynes et al., 1995). Las fuentes de carbono no carbonatado en CKD son el clinker sin quemar o el fueloil.

Haynes et al. (1995) realizaron el análisis termogravimétrico (TGA) de 113 muestras frescas de CKD, procedentes de 102 plantas cementeras de Estados Unidos y demostraron que el contenido de agua químicamente adherida en el CKD generalmente es baja, variando de 0,4 a 3,8%. El contenido de CO2 varió de 4,4 a 34,4% y el carbono libre no carbonatado varió de 0,01 a 1,83%. Por lo tanto, la LOI de CKD es aportada principalmente por la descarbonatación del CaCO3 tras la calcinación.

Bhatty et al. (1996) sugieren que valores altos de LOI son típicamente una indicación de alto contenido de

Figura 2. Relación entre resistencia a compresión a 7 días y TRO en mezclas de CKD y ceniza volante (Collins y Emery, 1983).

Tabla 4 Resumen de CKDs y suelos utilizados y resistencia de los suelos tratados (McCoy y Kriner, 1971)

Cal libre TRO Humedad

óptima

Densidad Seca

Máxima

Resistencia a compresión a

7 días

[%] [%] [%] [g/cc] [MPa]

A 15,57 46,20 21,9 2,01 2,83 B 14,60 49,43 20 2,05 2,93 C 14,30 56,49 20,6 2,04 2,01 D 7,80 48,67 20,1 1,99 2,21 E - 6,14 22,6 1,93 2,28 F 10,00 50,06 21,1 1,98 4,01

Figura 3. Variación de TRO con LOI (Sreekrishnavilasam y Santagata, 2006).

Figura 4. Variación de TRO con contenido de cal libre (Sreekrishnavilasam y Santagata, 2006).

carbonato y bajo contenido de cal libre. McCoy y Kriner (1971) informaron que el suelo tratado con CKD de bajo LOI y alto contenido de cal libre proporcionó resultados prometedores en términos de resistencia.

Sreekrishnavilasam y Santagata (2006) analizaron la relación entre el LOI y el contenido de CaO libre (Figura 5). A pesar de la dispersión significativa, los datos presentados sugieren una tendencia de LOI decreciente a medida que aumenta el contenido de cal libre (área sombreada).

3.4. pH

La composición química del CKD muestra que contiene cantidades significativas de álcalis. Como resultado, el pH de una mezcla de CKD y agua es típicamente de aproximadamente 12,0 o mayor. Por ejemplo, Miller et al. (2003) informaron valores de pH de 12,48 y 12,65 para dos CKD frescos.

4. Propiedades físicas

4.1. Distribución de tamaño de partículas

Una característica física importante del CKD es su distribución de tamaño de partículas. Tratándose de un producto residual que se recoge de la corriente de gases de escape, es un material pulverulento muy fino de tamaño de partícula relativamente uniforme. PCA (1992) informó que el CKD típicamente tiene un diámetro medio de partícula de 10 µm aunque las materias primas tienen un diámetro medio mucho mayor. Los datos de la literatura muestran que la distribución del tamaño de partícula de la CKD depende de la tecnología del proceso, el método de recolección de polvo, la composición química del CKD y el contenido de álcali.

El tamaño de partícula del CKD depende en gran medida del tipo de sistema de horno utilizado. De acuerdo a resultados de análisis de tamaño de partículas realizados en Construction Technology Laboratories Inc. (CTL) (Todres et.al., 1992) y en la Universidad Northwestern (Konsta-Gdoutos y Shah, 2003) en CKD que representan diferentes operaciones de planta, las cifras indican que los polvos recogidos de los hornos secos son más finos que los de los hornos húmedos y semihúmedos/ semisecos.

Figura 5. Variación de LOI con contenido de cal libre (Sreekrishnavilasam y Santagata, 2006).

Corish y Coleman (1995) y Collins y Emery (1983) sugieren que las partículas de polvo más finas generalmente tienen una mayor concentración de sulfatos y álcalis y un menor contenido de cal libre.

4.2. Superficie específica

Los valores de finura de Blaine para CKD reportados en la literatura varían entre 2300 y 14000 cm2/g (por ejemplo, McCoy y Kriner, 1971; Collins y Emery, 1983; Baghdadi, 1990; Konsta-Gdoutos y Shah, 2003) y están consistentemente por encima de los valores típicos del cemento Pórtland ordinario (~3000-5000 cm2/g) sugiriendo que en el caso de la CKD, la textura y morfología de las partículas pueden jugar un papel significativo.

4.3. Gravedad específica

La gravedad específica de un material particulado se ve afectada por la química y la estructura de las partículas individuales. Para una composición química similar, las partículas con estructura sólida tienden a tener mayor gravedad específica que las partículas con estructura hueca y porosa (Huang, 1990). La gravedad específica del CKD está típicamente en el rango de 2,6-2,8 (Baghdadi, 1990), menor que la del cemento Pórtland (Gs ~ 3.15).

5. CKD en la estabilización de suelos

Los aditivos químicos, en particular la cal y el cemento, se han utilizado ampliamente en la estabilización de suelos, con el fin de mejorar propiedades como la resistencia y la rigidez. Aunque se han realizado varios estudios para investigar el uso del CKD como alternativa a estos materiales tradicionales para tratar tanto arcillas como arenas, quedan muchas preguntas con respecto a su eficacia como estabilizador de suelos. En parte, esto se debe al hecho de que los CKD utilizados en estos estudios tienen propiedades químicas y físicas que varían en un rango muy amplio (por ejemplo, LOI que varía entre 6% y 4%; y cal libre desde trazas hasta 27%).

McCoy y Kriner (1971) informaron de la primera investigación de CKD para la estabilización de suelos, quienes emplearon CKD con diferentes contenidos de cal libre y suelos de diferente plasticidad. Se compararon los resultados con los obtenidos con cal hidratada y cemento tipo Pórtland, y se concluyó que el uso de CKD con composición apropiada a niveles de adición adecuados era prometedor para la estabilización de suelos. Los CKD con alto contenido de cal libre y baja LOI proporcionaron, de hecho, una resistencia a la compresión a 7 días comparable a la medida en mezclas de suelo-cemento y significativamente más alta que la de las mezclas de cal hidratada-suelo. También se observó que la presencia de un alto contenido de álcali en el CKD afectaba negativamente a la resistencia a la compresión.

Investigaciones posteriores incluyeron trabajos con caolinita y bentonita (Baghdadi, 1990); una arcilla expansiva (Zaman et al., 1992); arena de dunas (Baghdadi et al., 1995); y un extenso trabajo de Miller y colaboradores

con varios suelos (Miller y Azad, 2000 y Miller et al., 2003). Estos estudios prueban el potencial del uso de CKD para la estabilización de suelos, aunque en dosis (8-30%) sustancialmente mayores que las utilizadas para otros aditivos (desafortunadamente, las características químicas y físicas de los CKD utilizados no siempre están documentadas).

Por ejemplo, para un CKD con 5,3% de cal libre y LOI de 26%, una mejora considerable en la resistencia de la caolinita (para 16% de CKD el UCS a 28 días aumentó 5 veces) y una reducción en el PI de la bentonita (más acentuado con mayor contenido de CKD) fue reportado por Baghdadi (1990).

Zaman et al. (1992) informan efectos similares sobre la resistencia (aunque no tan marcados) y la plasticidad para una arcilla altamente expansiva y un CKD con LOI de 28%.

Pruebas realizadas por Miller y Azad (2000) en diferentes suelos indican una estabilización más efectiva en el caso de suelos con bajo PI y una correlación entre la respuesta de pH de las mezclas suelo-CKD y la efectividad del tratamiento.

Peethamparan et al. (2006) realizaron un estudio experimental para investigar la efectividad del CKD para estabilizar la arcilla caolinita. Los dos CKD utilizados tienen contenido de cal libre de 13,85 y 5,32% y LOI de 14,22 y 29,63% respectivamente. El porcentaje de CKD varió del 8 al 25% en peso seco de arcilla. Informaron que la resistencia de la arcilla de caolinita tratada es proporcional al contenido de CKD y también al contenido de cal libre. Por ejemplo, para un CKD con 13,85% de cal libre y LOI = 14,22%, se observa una mejora considerable en la resistencia de la caolinita (con un CKD del 15% la UCS a 7 días aumentó 6 veces). También para el CKD con mayor contenido de cal libre (13,85%), el aumento de la resistencia a la compresión a los 7 días es el doble que el CKD con menor contenido de cal libre (5,32%).

El Departamento de Transporte de Oklahoma realizó una evaluación de campo de subrasantes tratadas con CKD en el año 2000 (Miller et al., 2003). Los resultados de esta investigación, que involucró el tratamiento de una arcilla magra arenosa (PI ~ 15-30%) con tres CKD diferentes, confirmó las observaciones de laboratorio (la mejora significativa en las propiedades que se pueden obtener usando CKD, pero también la gran variabilidad en los resultados dependiendo del tipo de CKD usado), y destacó una serie de cuestiones relevantes para la construcción (por ejemplo, el problema planteado por CKD arrastrado por el viento y las dificultades que ello genera en obra). Un trabajo adicional a nivel de campo, así como pruebas de laboratorio con diferentes CKD (LOI entre 22 y 29%) en mezclas de lutita-arena (Miller et al., 2003), mostró que el CKD puede funcionar mejor que la cal libre e indicó un mejor rendimiento para el CKD con LOI más bajo.

En general, los resultados documentados en la literatura indican que, debido a la amplia variación en las propiedades físicas y químicas del CKD, no se pueden sacar conclusiones generales sobre su validez como estabilizador de suelos. Además, las investigaciones realizadas hasta ahora se han limitado a investigaciones

experimentales comparativas, mientras que los mecanismos responsables de la mejora del comportamiento siguen sin estar claros. Estos factores han impedido esencialmente hasta la fecha un uso más extenso del CKD en la estabilización del suelo.

5.1. Efectos sobre la plasticidad

Numerosos investigadores han demostrado que la adición de CKD a suelos moderadamente plásticos o muy plásticos generalmente provoca un aumento inmediato del límite plástico y una reducción del índice de plasticidad (McCoy y Kriner, 1971; Baghdadi, 1990; Zaman et. Al., 1992; Miller y Azad, 2000). Sin embargo, hay que tener en cuenta que en la literatura se informan tendencias tanto en aumento como en disminución del límite de líquido con la adición de CKD dependiendo del suelo utilizado (Zaman et. Al., 1992; Miller y Azad, 2000; Santagata y Bobet, 2002).

La Tabla 5 resume los resultados de las pruebas de McCoy y Kriner (1971) de los cuales se observa que el límite líquido generalmente aumentó con la adición de CKD excepto en un caso (una disminución de LL en un 2% para suelos limosos con la adición de 5% de CKD con bajo contenido de cal libre). El PL del suelo aumentó con la adición de CKD; salvo en los casos donde se incorporó CKD con bajo contenido de cal libre, generando una reducción en PL del suelo.

Zaman et al. (1992) estudiaron el efecto del CKD (no se informó el contenido de cal libre del CKD empleado) en suelos arcillosos altamente plásticos y encontraron que el límite líquido generalmente disminuía, mientras que el límite plástico aumentaba bruscamente con el aumento en la cantidad de CKD (Figura 6), generando en consecuencia la reducción del IP.

La Figura 7 muestra los resultados de los límites de Tabla 5 Límites de Atterberg de suelos tratados con CKD (McCoy y Kriner, 1971)

Suelo Adición Límite

Líquido Límite Plástico

Índice de Plasticidad

[%] [%] [%]

Limoso (40% limo, 54% arcilla, 4% arena)

- 63 30 33

CKD H (3%) 63 36 27 CKD H (5%) 61 42 19

CKD L (5%) 66 25 41

Arcilloso (73% arcilla, 23% limo, 1% arena)

- 62 21 41

CKD H (3%) 65 29 36

CKD H (5%) 64 34 30

CKD L (5%) 68 20 48

Arenoso (20% arena, 52% limo, 28% arcilla)

- 43 23 20

CKD H (3%) 45 33 12

CKD H (5%) 47 38 9

CKD L (5%) 48 19 29

H indica CKD con alto contenido de cal (26.6%) y moderado contenido de álcali (4.6%), y L indica CKD con bajo contenido de cal (0.5%) y bajo contenido de álcali (2.2%). Contenido de álcali es el contenido de álcali equivalente.

Atterberg del estudio realizado por Miller y Azad (2000) sobre la adición de varios porcentajes de CKD en tres suelos diferentes. Los suelos 1, 2 y 3 se clasifican en CH, CL y ML respectivamente (ver referencia para detalles del CKD empleado). En la figura se puede ver que se produjeron reducciones sustanciales de PI con cantidades modestas de CKD para los suelos 1 y 2. Para el suelo 1, la reducción de PI resultó de un aumento de PL y una disminución de LL con el aumento del contenido de CKD, mientras que para el suelo 2 la reducción de PI resultó principalmente de un aumento sustancial de PL. Para el suelo 3, tanto el LL como el PL aumentaron con el contenido de CKD y el PI permaneció casi constante. Diamond y Kinter (1965) indicaron que el LL es mucho más sensible que el límite plástico al complejo de intercambio catiónico del suelo. Se ha observado que el LL aumenta o disminuye debido al tratamiento con cal dependiendo de la naturaleza del complejo de intercambio catiónico, mientras que el PL casi siempre aumenta significativamente. Las arcillas saturadas de calcio tienden a exhibir aumentos del LL cuando se tratan con cal, mientras que las arcillas con cationes de valencia más baja, como el sodio, experimentarán un intercambio catiónico

Figura 6. Variación de límites de Atterberg en arcilla altamente plástica con la adición de CKD (Zaman et al., 1992).

Figura 7. Límite líquido (puntos rellenos) y límite plástico (puntos vacíos) vs contenido de CKD para suelo 1 (CH), suelo 2 (CL) y suelo 3 (ML) (Miller y Azad, 2000).

significativo y una reducción significativa del LL con el aumento del contenido de cal. La diferencia en el comportamiento de LL exhibida por los suelos 1 y 2 probablemente se deba a los diferentes complejos de intercambio catiónico en cada uno de estos suelos. Para el suelo 3, predominantemente sin cohesión, la adición de CKD resultó en un aumento casi equivalente en LL y PL que probablemente resultó del aumento en los finos por el CKD y el aumento de afinidad por el agua que lo acompaña. Miller y Azad (2000) concluyeron que el tratamiento del suelo con CKD reduce el PI de suelos con plasticidad moderada a alta.

En general, las características de plasticidad del suelo se modifican sustancialmente con la adición de CKD. El aumento o la disminución de los límites no solo dependen del tipo de suelo tratado, sino también de la composición química (principalmente del contenido de cal libre) del CKD.

5.2. Efectos sobre la compactación

Según Miller y Azad (2000), la influencia del CKD en la densidad seca y el contenido de humedad es obviamente una función del tipo de suelo y CKD, así como del método de compactación. De acuerdo a los resultados obtenidos por dichos autores, en estudios realizados sobre la adición de varios porcentajes de CKD en tres suelos diferentes clasificados como CH, CL y ML (suelos 1, 2 y 3 respectivamente), se produjo un aumento de la humedad óptima de compactación (HOC) y una disminución del peso unitario seco máximo (PUSM) a medida que aumentaba el contenido de CKD en los tres suelos. Otros autores han observado efectos similares (Zaman et al., 1992). El aumento de la HOC aparentemente resultó de la afinidad del CKD por el agua, y el PUSM parece disminuir porque el agregado partículas de CKD da como resultado macroporos más grandes dentro del suelo. Los contenidos óptimos de humedad y los pesos unitarios secos máximos se muestran en la Figura 8 y Figura 9.

Por el contrario, Baghdadi et al. (1995) observaron que la CKD añadida a la caolinita pura aumentaba el peso unitario seco máximo y reducía ligeramente la humedad óptima de compactación.

Asimismo, en la Figura 10 se muestra la curva de compactación obtenida por Baghdadi y Rahman (1990) trabajando con mezclas de arenas de dunas y CKD. Encontraron que el PUSM aumenta inicialmente hasta un contenido de CKD del 30% y luego comienza a disminuir casi linealmente. Por otro lado, la HOC disminuye ligeramente hasta un contenido de CKD del 30% y luego comienza a aumentar casi linealmente. En opinión de dichos autores, estas características de compactación se producen debido al relleno de huecos por el CKD. Para un contenido de polvo de horno de cemento superior al 30%, existe una sobredosis de polvo y efecto lubricante, que reducen el peso unitario seco máximo.

Por otro lado, en la Figura 11 y Figura 12 se presentan las curvas de compactación obtenidas por Okafor y Egbe (2013) trabajando con mezclas de suelo clasificado como SW-SC (clasificación SUCS) y CKD. De acuerdo a dichos

Figura 8. Humedad óptima de compactación vs. contenido de CKD para suelos 1, 2 y 3 (Miller y Azad, 2000).

Figura 9. Peso unitario seco máximo vs. contenido de CKD para suelos 1, 2 y 3(Miller y Azad, 2000).

Figura 10. Curva de compactación de mezclas de arenas de dunas y CKD (Baghdadi y Rahman, 1990).

autores, los resultados muestran que la HOC aumenta con el contenido de CKD, lo que concuerda con investigaciones anteriores de Zaman et al. (1992) y Miller y Zaman (2000). El aumento de la HOC se debe al agua adicional necesaria para revestir la superficie y lubricar toda la matriz para el proceso de hidratación. En cuanto a la variación del PUSM con el contenido de CKD, los resultados indican el aumento hasta un contenido del 12%, lo que se debe a que el CKD ocupa los vacíos dentro de la matriz del suelo y también a la gravedad específica relativamente mayor del CKD respecto a la del suelo. Para contenidos de polvo de horno de cemento mayor al 12%, el PUSM disminuye. Esto podría atribuirse a la naturaleza frágil del suelo con mayor CKD, éste es uno de los inconvenientes identificados por la Universidad de Maine (2011) en el uso de CKD para la estabilización del suelo.

5.3. Efectos sobre la resistencia a la compresión inconfinada (RCI)

Miller y Azad (2000) realizaron estudios sobre la adición de varios porcentajes de CKD en tres suelos diferentes clasificados como CH, CL y ML (suelos 1, 2 y 3 respectivamente), y analizaron la resistencia a la compresión incofinada de probetas de las mezclas de suelo-CKD preparadas con la humedad óptima de compactación (según Figura 8). Las muestras se dejaron curar durante 7, 14 y 28 días antes de ensayarlas, preparando 6 muestras para cada período de curado y mezcla. De cada conjunto de muestras, 3 se ensayaron luego del tiempo prescrito y las 3 restantes se sumergieron en agua durante 48hs antes de la

Figura 11. Variación de la humedad óptima de compactación con el contenido de CKD (Okafor y Egbe, 2013).

Figura 12. Variación del peso unitario seco máximo con el contenido de CKD (Okafor y Egbe, 2013).

prueba de compresión, para evaluar la resistencia del suelo tratado a la inmersión en agua. Los datos obtenidos se presentan en la Figura 13, donde cada punto representa el promedio de los tres resultados en cada caso.

En la Figura 14 se muestra una comparación de la RCI a 28 días de cada suelo frente al contenido de CKD. A continuación se indican las observaciones más relevantes indicadas por los autores:

1. La resistencia a la compresión inconfinada de los

suelos no tratados fueron en todos los casos más bajas que las de los suelos tratados. Para suelos no tratados, la RCI no aumentó con el tiempo de curado.

2. Para suelos tratados con CKD, las ganancias de resistencia más significativas ocurrieron durante los primeros 14 días.

3. En comparación con el suelo 1 (PI = 40) y el suelo 2 (PI = 30), la ganancia de resistencia con el tiempo exhibida

Figura 13. Resistencia a la compresión inconfinada vs. tiempo de curado para suelos 1, 2 y 3 (Miller y Azad, 2000). Los números en la esquina superior izquierda indican el número de suelo. Los símbolos vacíos representan la resistencia de las probetas sumergidas durante 48hs y los símbolos rellenos representan las probetas no sumergidas. Los números a la derecha de las curvas indican el contenido de CKD utilizado.

por el suelo tratado 3 (PI = 6) es significativamente mayor. 4. Los suelos no tratados se desintegraron cuando se

sumergieron en agua (indicado por valores UCS de cero en la Figura 13).

5. La RCI para suelos tratados sumergidos en agua durante 48hs fue de 50-100% de la resistencia obtenida para muestras similares que no fueron sumergidas. El porcentaje de resistencia retenida estuvo entre el 75 y el 95% para la mayoría de las muestras. En comparación con el suelo sin tratar, estos resultados muestran que la CKD proporciona resistencia a los efectos adversos de la saturación.

6. Se produjeron aumentos significativos de RCI con aumentos en el contenido de CKD en suelos tratados.

7. El aumento de RCI debido a la adición de cantidades similares de CKD es dramáticamente mayor para el suelo con bajo PI (n° 3) en comparación con los suelos con mayor PI (n° 1 y 2). Sin embargo, el cambio en RCI de suelos tratados como una función del porcentaje de CKD es aproximadamente similar para cada suelo. Esto se observa en la Figura 14 al comparar las pendientes de las curvas para los tres puntos de datos trazados más allá del punto CKD de cero por ciento. Las pendientes promedio son 99, 85 y 123 kPa/CKD(%), para suelos 1, 2 y 3 respectivamente. Esto sugiere que se necesita una cierta cantidad de CKD para satisfacer las diversas reacciones que pueden ocurrir con los químicos y minerales presentes en la arcilla, y que el CKD en exceso de esta cantidad contribuye principalmente a las reacciones puzolánicas. Esto es similar a la cal en que una cierta cantidad de cal se consume a través del intercambio de cationes y reacciones con sulfatos, carbono orgánico y otras sustancias químicas presentes en el suelo (Eades y Grim, 1966). Para obtener una ganancia de resistencia significativa, se debe agregar cal para que se satisfagan todas estas reacciones.

De acuerdo a Baghdadi et al. (1995), las mezclas de arena de dunas y diferentes contenidos de CKD fueron compactadas y curadas para diferentes períodos. Los resultados se presentan en la Figura 15, que muestra las variaciones de resistencia a la compresión inconfinada

Figura 14. Resistencia a la compresión inconfinada con curado de 28 días vs. contenido de CKD para suelos 1, 2 y 3 (Miller y Azad, 2000).

frente al contenido de polvo de horno de cemento. Los resultados muestran un aumento continuo en los valores de resistencia a la compresión a medida que aumentan el contenido de CKD y el período de curado. Además, las resistencias a la compresión de las muestras curadas a 40ºC aumentan a un ritmo más alto que otros niveles de temperatura durante los primeros días de curado, pero disminuyen con el tiempo. La resistencia a la compresión es inferior a la correspondiente a 10 ºC después de 90 días de curado.

El aumento de la RCI de las mezclas de arena de dunas y CKD es obvio incluso con las cantidades más bajas de CKD. Es evidente que la resistencia mejorada de la arena de dunas debido a la adición de CKD es el resultado de una reacción química entre el agua y CKD. Esto también está respaldado por la alta resistencia de las muestras compactadas con 100% de CKD. El nivel más alto de temperatura de curado acelera esta reacción química. El proceso se ralentiza en períodos de curado más largos. Este comportamiento también se observó en las mezclas suelo-cemento y en el hormigón curado a altas temperaturas. La

Figura 15. Efecto del CKD sobre la resistencia a la compresión inconfinada de arenas de dunas, curadas a 7, 28 y 90 días con diferentes temperaturas de curado (Baghdadi et al., 1995).

explicación dada para tal comportamiento fue que los primeros productos de reacción química encapsulaban partículas de cemento que no reaccionaban, lo que impedía o ralentizaba el desarrollo posterior de la resistencia (Baghdadi, 1982). Este razonamiento también puede ser aplicable a las mezclas de arena de dunas y CKD.

Asimismo Baghdadi et al. (1995) indican que para investigar la reducción de la resistencia debido a la saturación, se probaron muestras por triplicado compuestas por 50 y 100% de CKD después de curar durante siete días a temperaturas de 10, 25 y 40ºC. Las muestras se sumergieron en agua durante 48 horas después del curado. Los resultados de la prueba mostraron que las relaciones entre las resistencias promedio saturada y no saturada para las muestras de CKD al 50% son 0.81, 0.86 y 0.93 para temperaturas de curado de 10, 25 y 40 ºC respectivamente. De manera similar, para las muestras de 100% CKD, las proporciones son 0,71. 0,83 y 0,93. Así, es obvio que las probetas curadas a 10 ºC sufrieron la mayor pérdida de resistencia mientras que las curadas a 40 ºC sufrieron la menor. Esto probablemente se deba a la ganancia más lenta de resistencia cuando la muestra se cura a 10 ºC, y la mayor tasa de ganancia de resistencia a edades tempranas cuando la muestra se cura a 40ºC.

Por otro lado, en la Figura 16 se muestran los resultados obtenidos por Okafor y Egbe (2013) acerca de la resistencia a la compresión inconfinada de mezclas de suelo clasificado como SW-SC (clasificación SUCS) y CKD, curadas a 7, 14 y 28 días. Los valores de RCI aumentan a medida que aumenta el contenido de CKD de 0% a 24%. El valor máximo de RCI con CKD al 24% son para 7, 14 y 28 días de 1360 kN/m2, 1454 kN/m2,y 1490 kN/m2 respectivamente. El aumento de la RCI se atribuye a la formación de compuestos cementantes entre el CaOH presente en el suelo y el CKD.

5.4. Efectos sobre el comportamiento tensión - deformación

Miller y Azad (2000) analizaron los efectos generados por la adición de CKD, en tres suelos diferentes clasificados como CH, CL y ML (suelos 1, 2 y 3 respectivamente). De acuerdo a los autores del estudio, el comportamiento tensión-deformación por compresión inconfinada de los suelos analizados se alteró drásticamente

Figura 16. Variación de la resistencia a la compresión inconfinada (UCS) de suelos con adición de CKD (Okafor y Egbe, 2013).

Figura 17. Curvas tensión-deformación de ensayos a compresión inconfinada en suelos tratados con CKD y 28 días de curado (Miller y Azad, 2000). Los símbolos rellenos corresponde al suelo 1 (círculos), suelo 2 (triángulos) y suelo 3 (cuadrados) tratados con 13%, 12% y 10% de CKD respectivamente. Símbolos abiertos representan la resistencia de los suelos no tratados.

con la adición de CKD, como se muestra en la Figura 17. La rigidez aumentó sustancialmente y la falla se produjo a valores mucho más pequeños de deformación axial en comparación con el suelo sin tratar. Con pocas excepciones, el módulo tangente de las curvas de tensión-deformación aumentó aproximadamente 10 veces con la adición de CKD. Los suelos tratados exhibieron rotura frágil a deformaciones axiales de aproximadamente 1-3%, mientras que los suelos no tratados exhibieron comportamiento plástico.

6. Conclusiones

De acuerdo a la información recabada de los distintos autores, el polvo de horno de cemento es un material eficaz para estabilizar una variedad de suelos (arenosos y arcillosos). Sin embargo, el efecto estabilizador depende principalmente de la composición química, la finura y el nivel de adición del CKD, así como del tipo de suelo original. Las características físico-químicas de los CKD están íntimamente condicionadas con el proceso de fabricación de cada planta cementera, motivo por el cual no es posible definir unas características promedio que permitan predecir su comportamiento como agente estabilizador. Ello implica que frente a la evaluación de estabilizar un determinado suelo con CKD, se deban analizar las características propias del polvo de horno de cemento a utilizar.

De todos modos, con el fin de presentar aquellas características de los suelos sobre los cuales el CKD puede generar efectos, se pueden resumir los siguientes resultados obtenidos por los autores presentados:

• La idoneidad de un CKD para la estabilización del suelo

depende de la presencia de cal libre. • Se identificaron cantidades significativas de hidróxido

de calcio, singenita y etringita en los CKD hidratados con alto contenido de cal libre. Estos productos estaban

ausentes o presentes solo en cantidades mucho más pequeñas en los CKD hidratados con bajo contenido de cal libre.

• En CKD con alto contenido de cal libre, la cantidad de etringita aumenta con el aumento del período de curado.

• La literatura sugiere que los CKD con menor pérdida por ignición (LOI) generalmente presentan mayor contenido de cal libre y por lo tanto son más reactivas. Si bien se observa que existe una marcada tendencia entre ambos parámetros, la LOI por sí sola no es un indicador objetivo para estimar la reactividad de un CKD, debido a la gran dispersión que presentan los datos.

• Numerosos investigadores han demostrado que la adición de CKD a suelos moderadamente plásticos o muy plásticos generalmente provoca un aumento inmediato del límite plástico (LP) y una reducción de la plasticidad (IP).

• En general, las características de plasticidad del suelo se modifican sustancialmente con la adición de CKD. El aumento o la disminución de los límites no solo dependen del tipo de suelo tratado, sino también de la composición química (principalmente del contenido de cal libre) del CKD.

• La adición de CKD al suelo puede mejorar sustancialmente la resistencia a la compresión no confinada. La mejora es más significativa para suelos con bajo PI.

• En relación con el suelo no tratado, el CKD proporciona cierta protección contra los efectos adversos de la saturación en la resistencia.

• La adición de CKD aumenta rápidamente la resistencia a la compresión no confinada durante 7-14 días después de la compactación y, posteriormente, más lentamente. Para contenidos similares de CKD, la tasa de aumento es mayor para suelos con bajo PI.

• El suelo tratado con CKD presenta un comportamiento frágil durante la compresión no confinada. Se producen aumentos significativos en el módulo y disminuciones en la deformación en el momento de la falla con la adición de CKD.

• Los resultados de las resistencias a la compresión inconfinada mostraron un aumento continuo con la cantidad de CKD y la duración del curado.

• El nivel de temperatura de curado afectó la resistencia a la compresión de las mezclas de arenas-CKD, de modo que a niveles de temperatura más alta la ganancia de resistencia fue mayor en edades tempranas.

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